Разработка методики и технических средств для ультразвукового контроля сварного баллона

спецификация.DOC

А3 АМК 52.00.01.000 СБ Сборочный чертеж
АМК 52.00.01.001 Демпфер 1
АМК 52.00.01.002 Корпус 1
АМК 52.00.01.003 Крышка 1
АМК 52.00.01.004 Призма 1
АМК 52.00.01.005 Пьезопластина 1
Стандартные изделия
Разъем электрический

!!!курсовой по акустике(моё).doc

Министерство образования Республики Беларусь
Белорусско-Российский университет
Кафедра «Физические методы контроля»
Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсу
«Приборы и методы акустического контроля»
Тема проекта: Разработка методики и технических средств для УЗ контроля
Проект выполнил студентка: Ватрамеева И.Н.
Руководитель проекта: Сергеев С.С.
Анализ характеристик объекта контроля ..5
Сравнительный анализ известных методик УЗ – контроля стыковых
1 Сравнительный анализ известных методик УЗ контроля сварных
2 Сравнительный анализ известных технических средств УЗ
контроля стыковых сварных соединений 15
Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического
Расчет и проектирование преобразователя .30
Разработка методики контроля и технических средств .38
1 Выбор частоты УЗ волн 38
2 Выбор типа УЗ-волн и направления их распространения в
3 Выбор способа контакта 39
4 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы
5 Выбор технических средств контроля 42
6 Выбор способа регистрации и расшифровки результатов
7 Разработка метрологического обеспечения средств
8 Описание мероприятий по технике безопасности и охране
Разработка вспомогательных средств для сканирования
Расчет чувствительности и производительности контроля .51
Список литературы 54
Уровень промышленного развития страны характеризуется не только объемом
производства и ассортиментом выпускаемой продукции но и также показателями
ее качества. Чтобы обеспечить высокое качество необходимо повысить уровень
контроля продукции. Вместе с тем растут требования к надежности и
долговечности работы оборудования. Решить все эти задачи можно только
усилив контроль за качеством перейдя от выборочного контроля изделий к
сплошному. Если выборочный контроль может реализовываться на базе
разрушающих испытаний ограниченного количества изделий то сплошной
контроль различных свойств изделий возможен только на основе применения
неразрушающих методов.
Методы неразрушающего контроля предусматривают выявление дефектов без
повреждения объектов что достигается путем использования физических
методов связанных с воздействием на объект контроля различных веществ
физических полей и их регистрации.
Одним из ведущих видов неразрушающего контроля является акустический
контроль основанный на применении упругих колебаний возбуждаемых или
возникающих в объекте контроля. Широкий спектр методов и приборов
акустического контроля обеспечивает не только дефектоскопию материалов и
изделий но и контроль физических физико-механических и геометрических
параметров объектов.
Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой
колебаний выше 20 кГц) этот метод называют ультразвуковым. По сравнению с
другими методами неразрушающего контроля ультразвуковая дефектоскопия
обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее
опасным дефектам типа трещин пор и непроваров большой
производительностью возможностью вести контроль непосредственно на рабочих
местах без нарушения технологического процесса низкой стоимостью контроля.
Ультразвуковые методы контроля позволяют получить информацию о дефектах
расположенных на значительной глубине в различных материалах изделиях и
сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только
повышает производительность труда но и позволяет получить объективную
картину качества изделия или сварного соединения.
Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях:
в энергетике тяжелом и химическом машиностроении на железнодорожном
Анализ характеристик объекта контроля
Целью проектирования является разработка методики и технических средств
для ультразвукового контроля сварного стыкового шва. Конструируемым
изделием является сварной баллон. Внешний вид изделия изображен на рисунке
Рисунок 1.1-Внешний вид объекта контроля
В изделии имеются продольный и кольцевые сварные швы. Один шов –
стыковой односторонние; остальные - стыковые. Их эскизы по ГОСТ 16037-80
[1] даны на рисунке 1.2 а размеры в таблице 1.1. Сварные швы выполненные
автоматической сваркой под слоем флюса в соответствии с ГОСТ 8713-79 [2].
а-подготовка свариваемых деталей;
Рисунок 1.2-Эскизы сварных швов
Таблица 1.1-Основные размеры сварного шва по ГОСТ 8713-79
Параметр Sмм bмм eмм gмм
Сварку под слоем флюса производят электродной проволокой которую подают
в зону горения дуги специальным механизмом называемым сварочной головкой
автомата [3]. Металл сварочной проволоки расплавляется дугой и переносится
каплями в сварочную ванну. В сварочной ванне металл сварочной проволоки
смешивается с расплавленным основным металлом. Токоподвод к проволоке
осуществляется через мундштук изготавливаемый из меди или её сплавов.
Существенным достоинством сварки под флюсом являются незначительные потери
на угар металла и его разбрызгивание.
Преимущества сварки под флюсом:
– повышение производительности в 5 – 10 раз по сравнению с ручной
сваркой в зависимости от толщины металла:
– качество наплавленного металла при автоматической сварке под флюсом
значительно выше чем при ручной;
– экономия электродной проволоки;
– экономия электроэнергии благодаря лучшему использованию тепла дуги;
– отпадает надобность в защите глаз сварщика т.к. дуга горит под
флюсом невидимо для глаз;
– отпадает надобность в специальной вентиляции рабочих мест т.к.
выделение газов ничтожно;
– основные сварочные операции выполняет автомат;
– упрощает контроль качества сварных швов.
К качеству подготовки и сборки конструкций предназначенных для
автоматической сварки предъявляются повышенные требования. Только при
условии хорошей подготовки можно получить высокое качество сварных швов.
Перед сборкой свариваемые кромки должны быть высушены и очищены от
ржавчины масла краски формовочной земли литейной корки и других
загрязнений т.к. в противном случае при сварке в металле шва получаются
поры. Очистке необходимо подвергать кромки свариваемых листов и полосы
прилегающие к шву на ширину до 50 – 60 мм.
При сварке под флюсом наибольшее применение получили стыковые соединения
с односторонним и двухсторонними швами с разделкой и без разделки кромок
однопроходные и многопроходные.
Материалом из которого изготавливается приведенный объект контроля
является Сталь 10 толщина стенки 6 мм. Механические характеристики стали
взяты из [4] и представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2-Механические характеристики материала
Диапазон регулирования калиброванного усилителя80
Длительность развертки мкс 5 – 1200
Количество точек ВРЧ до 400
Глубина регулирования ВРЧ дБ 80
Частотный диапазон МГц 03 — 10
Длительность зондирующего импульса нС 20 – 1000 с шагом 20
Напряжение зондирующего импульса В 50 – 150 с шагом 5
Встроенный архив параметров ПЭП и настроек более 1000 записей.
параметров контроля
Дискретное изменение частоты зондирующих 10 – 1000 с шагом 1
Отсечка % линейная 0 – 99% с
Масса с аккумулятором кг 27
Диапазон рабочих температур оС -10 до +50
Габариты мм 245х170х55
Дефектоскоп имеет прочный пыле-водонепроницаемый корпус из литого
дюралюминия с исполнением – IP64. Встроенный металлогидридный аккумулятор с
продолжительностью работы до 35 часов имеет возможность ускоренной зарядки
(без выемки аккумуляторов) за 3 часа.
Стандартная комплектация при поставке дефектоскопа УД4-12Т включает:
электронный блок дефектоскопа; 3 ультразвуковых преобразователей; один
аккумуляторный блок; автоматическое зарядное устройство; 2 соединительных
кабеля; кабель чехол; инструкцию по эксплуатации; программное
обеспечение для обработки и архивирования информации.
Ультразвуковая измерительная установка “СКАРУЧ”. Малогабаритная установка
измерительная ультразвуковая серии "Сканер" – модель "СКАРУЧ" (УИУ
СКАРУЧ") предназначена для оперативного обнаружения и определения
характеристик дефектов в сварных соединениях и основном металле
трубопроводов сосудов и металлоконструкций с толщиной стенки 4 – 60 мм и
проведения толщинометрии изделий толщиной до 100 мм. Установка используется
для ручного и механизированного ультразвукового контроля качества сварных
соединений и основного металла со скоростью продольного сканирования 0.5 –
0 ммин вдоль сварного шва или участка основного металла. УИУ "СКАРУЧ
работает в режиме автоматической фиксации и расшифровки результатов
контроля (АФ и РРК) при ручном сканировании системой преобразователей а
также в режиме ручного дефектоскопа (толщиномера) общего назначения.
Контроль может производиться как в цеховых так и в монтажных условиях.
Аппаратура прошла государственные испытания и имеет хорошие отзывы от
предприятий различных отраслей. УИУ "СКАРУЧ" сертифицирована Госстандартом
РФ зарегистрирована в государственном реестре средств измерений (№ 15723-
) и допущена к применению в Российской Федерации. Имеются сертификаты
стран СНГ. Методика применения УИУ "СКАРУЧ" согласована с ГОСГОРТЕХНАДЗОРом
РФ и разрешена для применения на подконтрольных объектах [11].
Рисунок 2.6 – Ультразвуковая измерительная установка “СКАРУЧ”
Функциональные особенности ультразвукового дефектоскопа УИУ СКАРУЧ:
осуществляет 16 различных схем прозвучивания на каждом миллиметре контроля;
обнаруживает внутренние дефекты (поры шлаковые включения непровары
идентифицирует дефекты по характеру (объемные объемно- плоскостные
оценивает параметры дефектов(длину и развитие по глубине);
проводит толщинометрию основного металла по сканируемой поверхности с
шириной участка 65мм;
автоматически отслеживает уровень акустического контакта с изделием;
автоматически устанавливает и корректирует параметры УЗК с поправкой на
осуществляет самоконтроль работоспособности электроники и акустической
автоматически фиксирует запоминает и расшифровывает результаты
производит передачу результатов контроля в память подключаемого
распечатывает результаты контроля с помощью подключаемого принтера;
имеет автономное питание.
Основные технические характеристики ультразвукового дефектоскопа УИУ
дискретность регистрации: датчика пути – 1 мм параметров дефекта – 1 мм
измерение параметров дефекта сварного шва с погрешностью: по длине ± 1 мм;
по глубине развития ± 0.5 мм;
определение координат дефекта вдоль шва с погрешностью от пройденного пути
минимально выявляемый дефект – 0.8 – 1.0 мм;
скорость УЗК – до 1 ммин;
количество каналов – 8;
количество схем прозвучивания – 16;
частотный диапазон – 1.0 – 10.0 МГц;
максимальное усиление по каждому каналу – 90 дБ;
диапазон регулировки усиления – 85 дБ;
максимальная глубина прозвучивания (продольные волны) – 10000 мм;
время непрерывной работы от аккумуляторов (6
диапазон рабочих температур: -20 – +45°С;
время установления рабочего режима мин – 1;
габариты дефектоскопа – 200 х 225 х 90 мм;
вес дефектоскопа (с аккумуляторами) – 3.5 кг.
Основные преимущества дефектоскопа УИУ "СКАРУЧ":
высокая достоверность УЗК т.к. в установке "СКАРУЧ" используется 16 схем и
методов прозвучивания одновременно на каждом миллиметре сканирования. За
счет этого возможно – идентифицировать дефект по характеру (плоскостной
объемный объемно-плоскостной) оценить реальные параметры дефекта (длину и
высоту) оценить эквивалентные размеры дефекта производить автоматическое
слежение за уровнем акустического контакта на каждом миллиметре пути;
высокая оперативность. Скорость сканирования – до 1 ммин. Память прибора
позволяет запомнить результаты УЗК до 1000 м дефектных сварных швов;
отсутствие настройки. Она автоматически выставляется при наборе
типоразмеров контролируемого изделия;
самоконтроль работоспособности ЭАТ;
автоматическая расшифровка результатов УЗК;
получение документа контроля (распечатки) всего сварного шва;
не требуется дополнительной квалификации обслуживающего персонала;
удобство в эксплуатации. Установка имеет малые габариты и вес автономное
многофункциональное назначение – УЗК сварных швов (стыковых тавровых
нахлесточных) УЗК основного металла в т.ч. определение недопустимой
коррозии и расслоения металла режим ручного дефектоскопа режим ручного
Дефектоскоп “PELENG” УДЗ-204. Ультразвуковой дефектоскоп «PELENG» УД3-204
– является новейшей разработкой НПГ «АЛТЕК». Прибор отличает металлический
корпус цветной TFT-экран новейшего поколения съемная литий-ионная
батарея два полных акустических канала [12].
Режим контроля качества акустического контакта. При этом возможна
регулировка усиления ВРЧ и др. параметров. Состояние акустического
контакта индицируется для режимов А- и В-развертки а также Протоколов
В дефектоскопе имеется режим "АРД" позволяющий осуществлять настройку
чувствительности на заданную эквивалентную площадь (диаметр) а также
определять эквивалентную площадь (диаметр) выявленного дефекта. В
дефектоскоп встроена обобщенная АРД-диаграмма.
Предусмотрена возможность ввода в дефектоскоп с компьютера индивидуальных
АРД-диаграмм для раздельно-совмещенных фокусирующих и других
специализированных преобразователей.
Рисунок 2.7 – Ультразвуковой дефектоскоп «PELENG» УД3-204
Технические характеристики “PELENG” УД3-204:
металлический ударопрочный корпус;
большой цветной TFT экран повышенной яркости;
два полных электроакустических канала;
частотный диапазон до 25 МГц;
выбор формы зондирующего импульса;
диапазон изменения усиления 120 дБ и ступенчатое изменение амплитуды
зондирующего импульса;
динамический диапазон ВРЧ 120 дБ;
построение расчетных криволинейных порогов в виде фрагментов кривых АРД-
диаграмм или криволинейных порогов по точкам (DAC-кривых);
построение кривых ВРЧ по точкам а также возможность применения расчетных
одна или две развертки на одном экране режим полного экрана при работе в
одноканальном варианте;
плавная регулировка частоты зондирующего импульса;
возможность проведения контроля с одновременной индикацией – текущих
изображений А- и усовершенствованной W-развертки текущих изображений А- и
В-развертки обычного изображения А-развертки и А-развертки в режиме
«ЛУПА» изображения А-развертки и радиосигнала текущего изображения А-
развертки и изображения А-развертки из памяти дефектоскопа;
наряду с традиционными методами ультразвукового контроля возможность
реализации эхо+эхо-зеркального эхо-теневого эхо+дельта-метода и других
основанных на использовании двух ПЭП;
полуавтоматическое определение угла ввода луча возможность применения
индикация вертикальной и горизонтальной шкал для основной развертки;
три порога (в том числе криволинейных) для каждой из двух зон временной
селекции с трехцветной индикацией срабатывания системы АСД;
усовершенствованный режим «НАСТРОЙКА ПО СТАНДАРТНОМУ ОБРАЗЦУ»;
формирование В- и С-развертки с использованием датчика пути;
наличие режима толщиномера;
возможность работы в иммерсионном режиме;
простой вызов наиболее часто встречающихся функций;
текстовое сопровождение настроек и протоколов контроля;
запись и воспроизведение звуковых комментариев;
порт связи с компьютером
возможность работы с внешним USB Flash Dr
полуавтоматическая настройка чувствительности дефектоскопа;
специализированная база данных для архивации и систематизации результатов
легкосъемная аккумуляторная батарея (при сохранении возможности заряда
аккумуляторов внутри дефектоскопа и в процессе работы с ним);
малые габариты и масса.
Рассмотрим некоторые виды современных сканирующих устройств.
Сканер HSFCS-XY01. Это гибкий сканер обладает необходимой гибкостью для
контроля неровных и наклонных поверхностей. Система множественных чашечных
присосов держит сканер на детали [14].
Рисунок 2.8 – Гибкий сканер HSFCS-XY01
HSFCS-XY01 – также может быть с чашечными присосами активируемыми
вручную что исключает необходимость использования компрессора рисунок 2.9.
Рисунок 2.9 – Гибкий сканер HSFCS-XY01 с чашечными присосами
активируемыми вручную
передвижной модуль прикреплен к каретке на колесиках с механизмом быстрого
рельса сконструирована с петлей на одном конце для предохранения сканера
от случайных падений.
общая протяженность хода до 3000 мм;
разрешение кодировщика – 10 едмм;
минимальны внешний изгиб – 360 мм;
минимальный внутренний изгиб – 360 мм;
шесть вакуумных генераторов смонтированных на коллекторе с подачей воздуха
и выпускным отверстием;
сила удержания – 30 кг на чашку.
алюминиевая направляющая с твердым анодированным покрытием 16 мм в
диаметре с зубчатой рейкой из нержавеющей стали;
направляющая не двигается под своим собственным весом;
конструкция каретки позволяет поворачивать ось Y что дает возможность для
измерений по траектории не параллельной оси Y.
общий ход до 510 мм;
приращение 0.5 или 1 мм устанавливается через делительный круг;
блокировка по осям винтами.
две оси с минимальным люфтом;
система множественных присосов для удержания на горизонтальной
вертикальной или любой наклонной поверхности;
гибкая ось Х смонтирована на вакуумных чашках для контроля изогнутой
поверхности профиля;
подходит для обычного УЗК и УЗК ФР.
Ультразвуковой сканер LSI. Ультразвуковой дефектоскоп-сканер LSI
предназначен для автоматизированного ультразвукового контроля и измерения
толщины иммерсионным способом крупногабаритных изделий из металлов и
углеродистых сплавов. Область применения: УЗ контроль и диагностика особо
ответственных крупных объектов энергетики нефтегазовых и
нефтеперерабатывающих комплексов морского и речного транспорта и др.
(трубы большого диаметра резервуары цистерны сосуды давления
теплообменники корпуса кораблей и др.). Магнитные колёса обеспечивают
достаточный прижим сканера к контролируемой поверхности длина подводящих
кабелей даёт возможность его подъема на высоту до 30 м. Управление
передвижением может осуществляться вручную с помощью джойстика или
компьютером по заданной программе. Сканер может быть оснащён одним УЗ
датчиком для проведения сплошной толщинометрии или двумя наклонными
датчиками для контроля сварных швов (метод TOFD). Сканер связан с системой
управления кабелем передающим УЗ сигналы и подающим питание для шаговых
электромоторов сканера. Вместе с кабелем проходит шланг подачи воды к
головке сканера. В автоматическом режиме система управляется с помощью
компьютера с применением специализированного программного обеспечения для
ультразвукового обследования UltraWin работающего в операционной среде
Windows. UltraWin предназначен для накопления данных контроля и вывода
картин А В и С-сканирований на экран и принтер [14].
Рисунок 2.10 – Автоматизированный сканер LSI
диапазон контроля по дальности (для стали) – 0.5 мм – 30 м;
разрешающая способность для поперечного сканирования – 0.11 мм;
разрешающая способность продольного перемещения – 0.25 мм;
рабочий диапазон частот – 0.5 – 30 МГц;
скорость поперечного сканирования до 500 ммсек;
скорость продольного перемещения до 100 ммсек;
диапазон регулирования усиления приемного тракта 110 дБ;
рабочий диапазон окружающих температур 5 – 50 (С;
масса сканера – 5 кг.
Кроме всего выше перечисленного часто употребляются устройства для
регулирования параметров (число оборотов момент на валу и т.д.)
используемых электродвигателей. Одним из таких устройств является MCDU-2.
Выбор метода контроля (анализ акустического тракта)
На основе предыдущего пункта выбираем эхо-импульсный метод для контроля
стыковых сварных швов изделия. Данный метод обладает наибольшей
чувствительностью высокой помехоустойчивостью простотой реализации и
соответствует конструктивным особенностям изделия (односторонний доступ).
Прозвучивание стыкового сварного шва производится наклонным
преобразователем по поверхности стенки изделия.
Дефекты типа трещин и пор будем контролировать прямым и однократно
отраженным лучами наклонным преобразователем а непровары в корне шва –
Произведем анализ акустического тракта. В сварных швах возможны дефекты в
виде пор трещин и непроваров в корне шва. Эти дефекты моделируются сферой
диском и двугранным углом соответственно.
Рассмотрим схему обнаружения трещин:
Рисунок 3.1 – Схема обнаружения трещин
Уравнение акустического тракта для диска площадью Sb имеет следующий вид
где Sa– площадь преобразователя равная Sa=[pic] где а – радиус
Sb– площадь дефекта равная Sb=[p
r – путь ультразвука в материале объекта контроля равный [pic]
где h – толщина объекта контроля [p
Е – функция описывающая затухание УЗ колебаний.
Исходя из известных параметров преобразуем формулу 3.1.
Функция описывающая затухание УЗ колебаний будет определяться следующим
[pic]– путь ультразвука в материале объекта контроля.
Приведенный путь ультразвука в призме преобразователя будет определяться
[pic] и [pic]– скорости УЗ-волн в призме и изделии.
Длина пути до дефекта в изделии:
С учетом формул (3.2) (3.4) выражение (3.1) примет вид:
С учетом всех известных формул выражение (3.5) примет вид:
а – радиус преобразователя;
r – путь ультразвука в материале объекта контроля ([p
Рассмотрим схему обнаружения пор:
Рисунок 3.2 – Схема обнаружения пор
Уравнение акустического тракта для сферы имеет вид [15]:
С учетом формул (3.2) и (3.4) выражение (3.6) примет вид:
С учетом всех известных формул выражение (3.8) примет вид:
Рассмотрим схему обнаружения непроваров:
Рисунок 3.3 – Схема обнаружения непроваров
Уравнение акустического тракта для бесконечной полосы [15]:
где r – путь ультразвука в материале объекта контроля равный [p
h – толщина объекта контроля;
[pic] – угол ввода волны.
С учетом формулы (3.2) выражение (3.8) примет вид:
С учетом всех известных формул выражение (3.11) примет вид:
b – высота непровара;
[pic]– коэффициент затухания в материале призмы.
Расчет и проектирование преобразователей
Выбор расчет и проектирование пьезоэлектрического преобразователя
определяется конфигурацией изделия условиями доступа для проведения
контроля наиболее вероятным месторасположением типом и ориентацией
дефектов наличием ложных сигналов и т. д. [8].
Пьезоэлектрический совмещенный наклонный преобразователь изображен на
– пьезопластина; 2 – призма; 3 – электроды; 4 – демпфер; 5 – корпус; 6
– соединительный кабель.
Рисунок 4.1 – Эскиз совмещенного наклонного пьезопреобразователя
Расчет пьезопреобразователя начнем с нахождения рабочей частоты [8].
Выбор рабочей частоты ультразвуковых колебаний определяется в основном
коэффициентом затухания и уровнем структурной реверберации материала
объекта а также его габаритами. Увеличение частоты способствует повышению
разрешающей способности уменьшению мёртвой зоны снижению величины
минимально выявляемых дефектов повышению точности измерения расстояния. С
другой стороны это приводит к возрастанию затухания ультразвука и
уменьшению толщины пьезопластины. Кроме того ухудшаются условия
прохождения волн через поверхность ввода и увеличивается интенсивность
отражений от границ зёрен. Таким образом можно оценить и выбрать
оптимальную частоту которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля
при минимальных потерях энергии ультразвука.
При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов
следует учитывать что когда длина волны превосходит размер дефекта
амплитуда отраженного или экранированного сигнала уменьшается с уменьшением
размера дефекта гораздо быстрее чем для более коротких волн. Отсюда
формируется условие:
где Bmin – минимальный размер дефекта.
Если технология сварки такова что провисания не образуются или они очень
малы то контроль производится одним ПЭП прямым и однократно отраженным
лучом за один прием с одной поверхности. Если же ложные сигналы от
провисания велики то для повышения помехоустойчивости контроль
целесообразно проводить раздельно в корневой и остальной частях шва. При
этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролировать ПЭП с [pic]= 45( –
Т.к. по заданию ничего не известно о наличии провисания в корне шва то
будем считать что использовалась такая технология сварки при которой не
образуется провисания. Поэтому для свариваемых деталей толщиной до 10 мм
эффективно применение преобразователя с углом ввода α = 70° – 85°. Рабочая
частота может быть f = 4.0 – 5.0 МГц [8].
Выберем стандартную рабочую частоту fр = 5.0 МГц и проверим условие (4.1)
Основной элемент преобразователя – пьезопластина. Из пьезокерамических
материалов наибольшее распространение получили цирконат-титанат свинца
(ЦТС) и твердые растворы четырехкомпонентных систем включающих титанат
свинца и цирконат свинца (ПКР). За рубежом широко применяют метаниобат
свинца и ниобат лития.
В качестве материала пьезопластины выберем цирконат-титанат свинца ЦТС-
так он обладает высоким коэффициентом электромеханической связи [pic] =
4 который определяет эффективность возбуждения и приема пластиной
акустических волн и достаточно высоким значением диэлектрической
постоянной [pic] = 1525 ± 325 что позволяет применить соединительный
электрический кабель с большой удельной емкостью его основные
характеристики приведены в таблице 4.1. Также его преимущество в том что у
него слабы колебания по ширине пластины которые являются паразитными по
отношению к основным колебаниям по толщине [5].
Таблица 4.1 – Характеристики ЦТС-19
Тип среза Вдоль направления поляризации
Скорость звука ClCt 10-3 мс 5.03.3
Плотность 10-8 кгм3 7
Характеристический импеданс 10-6 кг(м2(с)3523
Диэлектрическая постоянная 1525(325
Пьезомодуль 1012 КлН 200
Коэффициент электромеханической связи 0.35 – 0.45
Допустимая температура (С Св. 290
Для эффективного возбуждения пьезопластины необходимо чтобы собственная
частота f толщинных колебаний пьезоэлемента совпадала с рабочей частотой
электрических колебаний. Это условие обеспечивается когда [9]:
где сп и (п – соответственно длина волны и скорость звука в материале
Пьезопластина которая удовлетворяют этому требованию обеспечивает
максимальную амплитуду излученного импульса при прочих равных условиях.
С учетом этих требований рассчитаем толщину пластины:
Примем толщину пластины hп = 0.33 мм. На противоположных поверхностях
пластины располагаются круглые серебряные электроды для приложения
электрического поля.
При выборе поперечных размеров пьезоэлемента следует учитывать что
увеличение поперечных размеров сужает характеристику направленности и
повышает чувствительность в дальней зоне одновременно увеличивая
протяженность ближней зоны. Кроме того увеличение размеров пьезоэлемента
влечет за собой увеличение площади контактной поверхности что снижает
достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В то же время
пьезоэлемент малых размеров не обеспечивая требуемой мощности излучения
обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной точностью
определения координат дефектов вследствие широкой диаграммы направленности.
Согласно [8] при пересчете на поперечные волны оптимальные размеры
пьезопластин составляют а·f = 12 15 мм·МГц. Для fр = 5.0 МГц а = 2.4 3 мм
Выберем a = 3 мм (радиус пьезопластины).
В качестве материала призмы выберем органическое стекло т.к. его
целесообразно применять в диапазоне частот 1.5 – 5 МГц.
Таблица 4.2 – Параметры органического стекла
Плотность ρ [pic] 1180
Скорость продольной волны Сl [pic] 2670
Скорость поперечной волны Сt[pic] 1120
Скорость поверхностной волны Сs[pic]1050
Коэффициент затухания м-1 8(10-6(f
Примем α0 = 70° [8]. По рисунку 4.2 определим угол наклона призмы по
Сtи – скорость поперечных волн в изделии мс.
Формула (4.3) является приближенной т.к. под влиянием изменения условий
преломления лучей угол максимума излучения не всегда соответствует
Рисунок 4.2 – Схема контроля
При конструировании призмы необходимо проверять отсутствие продольной и
поверхностной волны в объекте контроля. Условие отсутствия продольной
поверхностной волны:
где – угол между акустической осью и крайним лучом.
Крайними лучами расходящегося пучка следует считать те амплитуды которых
уменьшаются до 20 дБ по сравнению с центральным лучом. Определяются по
Проверим отсутствие поверхностной волны по условию (4.5):
где [pic] - скорость поверхностной волны
Форма призмы и её размеры выбираются таким образом чтобы они
обеспечивали отсутствие ложных импульсов. Для этого необходимо чтобы
отраженные от поверхности призма-изделие волны не попадали на
пьезопластину. В ближней зоне пьезоэлемента излучаемую волну можно считать
слабо расходящейся. Тогда требования таковы что луч АА' рисунок 4.2
выходящий из нижней части пьезопластины после отражения от нижней
поверхности призмы с учетом трансформации не должен попадать на верхнюю
часть пьезопластины а луч ВВ' выходящий из верхней части пластины не
должен попадать на ребро двугранного угла. Эти условия можно записать в
следующем виде [17]:
Стрела преобразователя определяется по формуле [15]:
С учетом стенки преобразователя(1мм) и рифрением(1мм) принимаем стрелу
преобразователя n=70·10-3 м.
Путь центрального луча в призме определяется из условия [15]:
Таким образом все отраженные волны должны попадать в ловушку и
испытывая в ней многократные отражения до попадания на пьезоэлемент должны
ослабнуть не менее чем на 60 дБ. Ослабление центрального луча в призме на
пути от пластины до объекта должно быть не более 10 дБ.
Рисунок 4.2 – Расчетная схема преобразователя
Акустическое поле преобразователя с линией задержки можно приближенно
оценить введением мнимого пьезоэлемента. Направление акустической оси
мнимого излучателя определяется углом ввода центрального луча в изделие.
Расстояние вдоль акустической оси от точки ввода до мнимого пьезоэлемента
вычисляется по формуле [15]:
Мнимый излучатель строится перпендикулярно акустической оси а его
размеры принимают равными размеру преломленной лучевой трубки реального
излучателя как показано на рисунке 4.2. Для дискового пьезоэлемента мнимый
излучатель будет иметь форму эллипса с осью 2(а1 в плоскости падения
Вторая ось будет иметь размер 2(а = 6 мм.
Определим протяженность ближней зоны и угол раскрытия основного лепестка
диаграммы направленности преобразователя [10]:
Радиус мнимой пьезопластины вычислим по формуле:
Материал демпфера выбираем из [15]. Это эпоксидная смола ЭД – 5 с
наполнителем PbO (70%). На частоте 5.0 МГц он имеет коэффициент затухания
Д = 435 м-1. Толщина демпфера должна обеспечивать уменьшение амплитуды
ультразвуковых колебаний не менее чем на 60 дБ вследствие затухания.
где rД – путь ультразвука в призме при двукратном прохождении.
Толщина демпфера равняется такой толщине что при двукратном прохождении
ультразвука через демпфер амплитуда УЗ – колебаний уменьшалась до минимума.
Таким образом преобразователь состоит из следующих составных элементов:
пьезопластины призмы и корпуса (протектор в нашем случае применять не
Пьезопластина – является основным элементом ПЭП к посеребренной
поверхности которой припаивается экранированный провод для приложения
электрического поля и всё помещается в полость призмы. Призма
изготовляется обычно из износостойкого материала (оргстекло). При
разработке и изготовлении преобразователей размеры форму и материал призмы
выбирают таким образом чтобы они по возможности удовлетворяли следующим
основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК возникающих при
отражении волн на границе раздела призма – изделие. Это условие выполняется
тогда когда все отраженные волны попадают в ловушку и испытывают в ней
многократные отражения. Ловушка выполняется в виде ребристой поверхности на
передней грани призмы. Кроме того материал призмы должен обладать
износостойкостью а в ряде случаев и термостабильностью.
Далее пьезопластина заливается эпоксидной смолой с наполнителем (демпфер-
ЭД6). Данная конструкция помещается в корпус приклеивается к его стенкам
подключается к разъему. Корпус преобразователя обеспечивает прочность
конструкции а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных
помех. Электрические контакты выполняются пайкой легкоплавкими припоями
особенно на пьезокерамической пластине во избежание её располяризации. Для
соединения пьезопластины с разъёмом применяется коаксиальный кабель с
минимальной ёмкостью. Пьезопластину приклеивают к призме с помощью клея
ЛБС1 (ГОСТ 901 – 78).
На корпус преобразователя затем наносится риска определяющая стрелу
преобразователя и маркировочные значки.
Конструкция наклонного преобразователя представлена на чертеже АМК
Таблица 4.3 – Основные параметры пьезопреобразователя
Размер пьезопластины:
толщина пластины hп 033 мм
радиус пьезопластины a 3 мм
Угол наклона призмы 51º
Стрела преобрразователя 70·10-3 м
Путь центрального луча в 6·10-3 м
Разработка и методики контроля и технических средств
1 Выбор частоты УЗ волн
Рабочая частота контроля определяется в основном коэффициентом затухания
ультразвука в материале изделия минимальными размерами выявляемых
дефектов а также толщиной прозвучиваемого материала. Зная эти
характеристики можно оценить и выбрать оптимальную частоту которая
обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях
ультразвуковой энергии на рассеяние и поглощение.
Одним из главных критериев выбора оптимальной частоты является допустимый
размер дефекта который в данном случае составляет bmin= 1(10-3 м. Т.е.
необходимо чтобы удовлетворялось условие (2bmin. Следует также иметь в
виду что чем выше частота тем меньше длина волны и тем лучше условия
отражения от дефектов. Кроме того повышение частоты увеличивает
направленность излучения и приема что ведет к возрастанию отношения
отраженной от дефекта энергии к общей энергии вводимой в изделие. Однако с
повышением частоты повышается коэффициент затухания ультразвука ухудшаются
условия прохождения волн через поверхность ввода увеличивается
интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей материала не
являющихся дефектами [18]. На основании всех перечисленных критериев и с
учетом того что желательно ориентироваться на стандартные преобразователи
выпускаемые промышленностью которые имеют определенный ряд конкретных
значений частот выбираем рабочую частоту прозвучивания fр = 50 МГц.
2 Выбор типа УЗ-волн и направления их распространения в изделии
Контроль сварных швов проводится в соответствии с ГОСТ 14782–86 [7] .
Ультразвуковой контроль обеспечивает выявление почти всех дефектов
сварки кроме случаев сильно сжатого непровара. Верхнюю часть шва
контролируют однократно отраженным лучом а нижнюю – прямым. При этом
используют совмещенный преобразователь.
Направление волн должно быть таким чтобы обеспечивалось надежное
выявление наиболее опасных дефектов (трещин пор непроваров).
Когда имеется возможность выбора то применение поперечных волн
предпочтительнее в связи с меньшей длиной волны (при постоянной частоте)
что повышает чувствительность к дефектам и разрешающую способность. Там
где необходимо увеличение длины волны и уменьшение затухания целесообразно
применение продольных волн [6].
Для выявления подповерхностных дефектов применяют головные волны [6]. Они
не следуют изгибам поверхности подобно поверхностным а распространяются
прямолинейно. В каждой точке поверхности ими порождаются поперечные волны
уходящие под углом равным третьему критическому. В связи с этим амплитуда
головной волны быстро убывает с расстоянием. Основное отличие головных волн
от поверхностных с точки зрения практики ультразвукового контроля – это
нечувствительность к дефектам на поверхности изделия. Поэтому примером
применения головных волн может служить выявление дефектов под валиком шва
усиления сварного шва под антикоррозионной наплавкой резьбой.
Волны в пластинах (волны Лэмба) применяют для контроля листов оболочек
труб толщиной не более 3 – 5 мм т.е. соизмеримой с длиной волны. Для
контроля проволок и стержней диаметр которых соизмерим с длиной волны
применяют волны в стержнях (волны Похгаммера).
При контроле тонких сварных швов (10 мм и менее) возникает трудность с
контролем корня шва прямым лучом [6]. Подойти близко к шву мешает верхний
валик. Целесообразно увеличивать угол ввода однако этому препятствует
возникновение рэлеевских волн от боковых лучей пучка. Полезно также
уменьшать стрелу призмы преобразователя однако ее ограничивает размер
пьезоэлемента и условие предотвращения отражения от переднего угла призмы.
Оба этих обстоятельства диктуют необходимость повышения частоты что
позволяет уменьшить расхождение лучей.
При контроле наклонным преобразователем необходимо обеспечить направление
распространения волны перпендикулярно плоскости дефекта (трещины). Трещины
обычно ориентированы вдоль оси симметрии шва. При контроле непровара
(модель – диск полоса) необходимо чтобы дефект находился в области
максимальной амплитуды и ориентирован перпендикулярно к оси распространения
волны. Расчет угла ввода был произведен в пункте 4: угол ввода α = 70º.
Выявление дефектов параллельно лучу УЗ – волн будет затруднено поэтому
прозвучивание целесообразно производить с каждой стороны сварного шва.
3 Выбор способа контакта
Между рабочей поверхностью пьезоэлектрического преобразователя и объектом
контроля создается жидкая прослойка – акустический контакт.[9].
Часто контроль изделий производят контактным способом. Этим же способом
будем производить контроль данного изделия.
При этом способе контакта преобразователь прижимают к поверхности
изделия предварительно смазанной жидкостью. Контактный смазочный материал
должен хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность
преобразователя создавать равномерный тонкий слой и не стекать слишком
быстро с поверхности.
При контактном способе слой жидкости имеет толщину меньше длины волны
ультразвука в ней. Этого достигают путем плотного прижатия преобразователя
к поверхности объекта контроля на которую предварительно наносят смазку.
Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению
качества акустического контакта и как следствие к снижению достоверности
результатов контроля [16]. Поэтому при проектировании устройства
сканирования заданного изделия необходимо обеспечить стабильный
акустический контакт преобразователя с объектом контроля.
Выберем в качестве контактной жидкости ингибитор который применяется для
контроля по неокрашенным поверхностям углеродистых сталей. На практике
широко применяют ингибиторный смазочный материал состоящий из технического
нитрата натрия (NaNO2) – 16 кг; крахмала – 024 кг; технического глицерина
– 045 кг; технической кальцинированной соды – 0048 кг. Соду и нитрид
натрия растворяют в 5 л воды и кипятят. Крахмал растворяют в 3 л воды и
вливают в кипящий раствор нитрата натрия и соды. Затем смесь кипятят еще 3
– 4 минуты после чего в нее вливают глицерин и охлаждают. Смазочный
материал обеспечивает хороший контакт и после высыхания образует на изделии
тонкую корку не мешающую последующим технологическим операциям [18].
4 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы сканирования
Правильный выбор мест ввода ультразвуковых волн должен обеспечить
принятые ранее направления прозвучивания объекта контроля. При этом следует
учитывать что качество поверхности ввода ультразвука должно обеспечить его
максимальное прохождение в изделие по всей площади сканирования. Для этого
необходимо освободить контролируемый материал от неплотно прилегающих
наслоений под которыми может образовываться прослойка воздуха не
пропускающая ультразвук а затем сгладить неровности для обеспечения
стабильного акустического контакта. С поверхности удаляют отслаивающуюся
окалину и краску сглаживают забоины задиры переходы от выпуклости
сварного шва к основному металлу брызги металла сварочный флюс. Качество
подготавливаемой поверхности оценивают по параметрам шероховатости (ГОСТ
89 – 73). Оптимальной считается поверхность с шероховатостью Rz = 20 40
Схема прозвучивания определяет совокупность направлений прозвучивания
данного сварного соединения. Она определяется выбором наиболее
благоприятного угла встречи (ракурса прозвучивания) ультразвукового луча с
плоскостным дефектом и поэтому базируется на основе вероятностных оценок
распределения плоскостных дефектов по ориентации и местоположению
полученных при статистическом анализе. Так например установлено что
трещины ориентированы в вертикальной плоскости угол наклона несплавлений
определяется конфигурацией разделки кромок под сварку [2].
Сварные стыковые соединения обычно контролируют эхо – методом наклонным
совмещенным преобразователем с двух сторон шва и по одной поверхности
стыка. При этом применяют прямой и однократно отраженные лучи.
Зная параметры объекта преобразователя а также тип волн и направление
их распространения в материале можно определить места ввода ультразвуковых
волн в изделие. Будем стремится к тому чтобы прямым лучом
пьезопреобразователя можно было прозвучивать как можно больший объем шва.
Схема прозвучивания стыкового шва имеет вид (рисунок 5.4.1)
Рисунок 5.4.1 – Схема прозвучивания стыкового сварного шва прямым лучом.
Определим положения преобразователя при контроле прямым лучом со стороны
где h – толщина изделия; [pic] – угол ввода.
Х1 = 6 ( tg 70° =1648 мм.
Определим положения преобразователя при контроле однократно отраженным
Рисунок 5.4.2 – Схема прозвучивания стыкового сварного шва однократно
Определим положение преобразователя при контроле однократно отраженным
где Н – толщина изделия; [pic]– угол ввода луча.
Х2 = 2 ( 6 ( tg 70° =3297 мм.
Сканирование удобно производить продольным перемещением преобразователя
по поверхности объекта контроля вдоль продольной оси валика шва с
последующим поперечным смещением преобразователя для контроля однократно
отраженным лучом. Схема сканирования сварного шва представлена на рисунке
Рисунок 5.4.3 – Схема сканирования сварного шва
Как видно из рисунка 5.4.3 контроль производится с двух сторон шва при
одностороннем доступе. Скорость сканирования примем равной [pic].
Схемы прозвучивания и сканирования объекта контроля изображены на чертеже
5 Выбор технических средств контроля
Для создания требуемого напряжения на пьезоэлементе и регистрации
импульсов приходящих от пьезоэлектрического преобразователя используются
ультразвуковые эхо-дефектоскопы.
В настоящее время зарубежной и отечественной промышленностью разработано
большое количество моделей дефектоскопов среди которых есть как
универсальные так и специальные.
Дефектоскоп ультразвуковой УД2-102 «ПЕЛЕНГ» предназначен для контроля
сплошности различных металлоконструкций в том числе:
- стыковых тавровых угловых нахлесточных и др. типов сварных
соединений листовых элементов труб котлов и проч.;
- основного металла (выявление расслоений трещин неметаллических
включений и др. дефектов);
- сварных стыков рельсов;
- болтовых стыков и отдельных сечений рельсов уложенных на пути.
В отличие от большинства эксплуатируемых средств ручного контроля в
дефектоскопе предусмотрено:
- развертка типа А и типа В;
- энергонезависимая память предварительных настроек и текущих
результатов контроля;
- обнаружение дефектов по двум одновременно принимаемым эхо-
сигналам один из которых от конструктивного отражателя а второй
- наряду с эхо- и зеркально-теневым методами контроля - зеркальный
- возможность контроля по заранее подготовленным вариантам
- возможность подключения дефектоскопа к ПК.
Помимо указанных выше характеристик дефектоскоп УД2-102 обладает
диапазоном рабочих частот 04-50 МГц; значения динамического диапазона
амплитудной характеристики - не менее 18 дБ при нелинейности не более 3 дБ
диапазона регулировки усиления (чувствительности) аттенюатором от 0 до 80
дБ с дискретностью 1дБ.
Дефектоскоп имеет ЖК-индикатор для отображения информации звуковой АСД
позволяет осуществлять временную селекцию сигналов измерять координаты
дефектов отношения амплитуд сигналов и др.
Питание прибора осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220
В либо от встроенного NiMH аккумулятора число циклов разряда-заряда
которой составляет не менее 800.
прибора не более 215 кг. Габариты 190х270х60. Диапазон рабочих
температур от –10 до +50 0С при стандартном исполнении прибора.
Как видно из характеристик дефектоскопа УД2-102 данный прибор
удовлетворяет условиям контроля заданного объекта. Дополнительными
преимуществами данного прибора являются автономное питание малые габариты
6 Выбор способа регистрации и расшифровки результатов контроля
Целью НК является не только выявление дефектов но и распознавание их
образа для оценки потенциальной опасности дефекта. В практике контроля
дефекты идентифицируют по признакам рассчитанным по измеренным
характеристикам дефектов посредством дефектоскопов. Регистрация результатов
контроля будет производиться оператором путем визуального наблюдения за
экраном осциллографа дефектоскопа.
Для отстройки от ложных эхо-сигналов возможно применение метода
амплитудной дискриминации при котором за счет стробирования зон
развертки в которых возможно их появление фиксируются только те сигналы
амплитуда которых превышает уровень ложных. Таким образом необходимо
определить зоны стробирования сигнала [19].
Рассчитаем величины зон стробирования геометрическим путём (см. рисунок
Рисунок 5.6 – Схема определения зон стробирования
В нашем случае L=10мм rпр=60·10-3 м. Тогда для прямого луча границы
зоны стробирования будут определяться по формулам [19]:
Для однократно отраженного луча:
Результаты расчета сведём в таблицу 5.1
Таблица 5.1 – Зоны стробирования сигнала
Сварное соединение Прямой луч Однократно отраженный луч
стыковое (119 – 185) (228 – 294) мкс
7 Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Для исключения влияния субъективных факторов на результаты акустического
контроля необходимо создать стандартные условия контроля. Одним из
существенных моментов стандартизации контроля является настройка параметров
прибора по эталонам и контрольным образцам. Для текущей проверки наиболее
важных параметров и характеристик приборов служит комплект стандартных
образцов по ГОСТ14782-86 [10].
Для контроля реальных объектов и для настройки чувствительности удобно
использовать специальные контрольные образцы с искусственными дефектами.
Образец изготовляют из материала той же марки такой же номинальной толщины
и кривизны что и контролируемое изделие. Обязательным условием является
соответствие качества поверхности испытательного образца качеству
поверхности контролируемого изделия и проведение термообработки если она
предусмотрена для штатного изделия.
Для определения угла ввода величины мертвой зоны удобно применить
стандартный образец СО-2А. В отличии от образца СО-2 который выполнен из
стали 20 по ГОСТ 1050-74 или из стали 3 по ГОСТ 14637-69 он выполняется из
материла контролируемого изделия. Для заданного изделия образец будет
представлять собой плиту выполненную из стали 10 размерами 210(59(30 мм и
накладку рисунок 5.6 которую укрепляют четырьмя винтами на боковой грани
СО-2А. Положения штрихов определяющих угол ввода на пластине определяют
пересчетом на скорость поперечных волн в стали 10.
Рисунок 5.7 – Накладка к контрольному образцу СО-2А
Отверстие диаметром 6 мм на глубине 44 мм предназначено для измерения
угла ввода наклонных преобразователей и настройки на заданную условную или
предельную чувствительность. Выбор диаметра отверстия обусловлен
особенностями формирования эхо-сигнала от цилиндрической полости в твердой
однородной среде. Выбранный диаметр цилиндрического отверстия – 6 мм – при
длительностях импульсов применяемых в ультразвуковой дефектоскопии
исключает интерференцию зеркально отраженной волны и волны скольжения. Это
отверстие высверливают в стальной плите по разметке на накладке. Два
отверстия диаметром 2 мм используют для оценки мертвой зоны они выполнены
на глубине 3 и 8 мм.
Размеры контрольного образца в сборе должны соответствовать внешнему
контуру накладки [10].
Для настройки дефектоскопа согласно [10] допускается использовать
стандартный образец предприятия с искусственным дефектом в виде уголкового
отражателя рисунок 5.7 изготовленный из стали той же марки что и
контролируемое изделие.
Рисунок 5.7 – Стандартный образец с уголковым отражателем
При этом размеры углового отражателя определяются размерами плоскодонного
дискового отражателя дающего эхо-сигнал такой же амплитуды как от
минимального недопустимого дефекта. Необходимую площадь углового отражателя
определяют по формуле:
где Sд – площадь плоскодонного отверстия;
N – коэффициент для стали и других металлов и сплавов зависящий от
угла ( который задается в технической документации на контроль с
учетом справочного приложения 5 [10].
При этом ширина b и высота h углового отражателя должна быть больше длины
волны; отношение hb должно быть более 0.5 и менее 4. Отражатели типа
зарубок просты в изготовлении. Их выдавливают в тисках или на
гидравлическом прессе специально заточенным инструментом – бойком [18].
8 Описание мероприятий по технике безопасности и охране труда
Работы по технике безопасности ведут в соответствии с общими правилами
безопасности для предприятий отрасли стандартами предприятий и
разработанными на их основе инструкциями центральных заводских лабораторий
по технике безопасности [20].
К основным нормативным документам направленным на создание
высокопроизводительных и безопасных условий труда относятся системы
государственных стандартов безопасности труда (ССБТ) различного рода
санитарные нормы и правила правила и инструкции по безопасности труда и
производственной санитарии [18].
Безопасность труда при проведении неразрушающих испытаний различных
деталей и сварных соединений обеспечивается при выполнении государственных
– ГОСТ 12.0.001-82 (СТ СЭВ 829-77) ССБТ. Основные положения;
– ГОСТ 12.1.001-83 (СТ СЭВ 4361-83) ССБТ. Электробезопасность. Общие
– ГОСТ 12.2.007.0-75 ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования
В санитарных и строительных нормах и правилах определены требования
безопасности к устройству и содержанию предприятий производственных
помещений сооружений оборудования машин механизмов и инструментов к
организации производства работ технологическим процессам санитарно –
гигиеническому состоянию помещений и т. д. В них указаны обязанности
должностных лиц и руководителей работ связанные с обеспечением
безусловного выполнения предусмотренных правилами требований.
К работе по ультразвуковому контролю допускаются лица прошедшие
инструктаж по правилам безопасности труда и имеющие соответствующие
удостоверения. Инструктаж по технике безопасности проводится в соответствии
с порядком установленным на предприятии.
Перед проведением дефектоскопии на высоте в труднодоступных местах или
внутри металлоконструкций оператор должен пройти инструктаж по безопасности
труда в этих условиях.
Операторы должны знать и выполнять общие правила безопасности труда
установленные для работников цехов и участков в которых проводят
контрольные операции.
Дефектоскопы необходимо подключать к малонагруженным электролиниям
(осветительным линиям). При отсутствии такой возможности подключение
дефектоскопа следует производить через стабилизатор. Перед каждым
включением дефектоскопа оператор должен убедиться в надежности заземления
прибора медным проводом сечения не менее 25 мм2. Операторам категорически
запрещается работать под подъемными механизмами на неустойчивых шатких
конструкциях и в местах где возможно повреждение проводки электропитания
дефектоскопов. Нельзя также вскрывать и ремонтировать дефектоскоп во время
контроля. Принадлежности используемые оператором масленки обтирочные
материалы ветошь должны храниться в металлических ящиках.
Подключить дефектоскоп оператор имеет право только на специально
оборудованных постах в остальных случаях подключение производит техник-
Оператор должен работать в головном уборе легкой теплой не стесняющей
движения спецодежде.
Место на котором производится контроль должно быть удалено от сварочных
постов и защищено от лучистой энергии.
На контролируемой конструкции во время контроля не должны проводиться
механические работы вызывающие вибрацию. В шумных цехах операторы должны
использовать индивидуальные средства защиты.
Требования ИТР и операторов проводящих ультразвуковой контроль по
созданию необходимых условий для их работы должны выполняться
администрацией цеха в обязательном порядке.
Инструктаж по правилам безопасности труда проводится периодически в
соответствии с порядком установленным на предприятии. Проведение
инструктажа фиксируется в специальном журнале.
Помещения в которых проводят контроль должны соответствовать
действующим нормам и правилам проектирования промышленных предприятий [6].
Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта
Для упрощения контроля и увеличения скорости сканирования было
разработано сканирующее устройство. Оно состоит из левой и правой стоек
которые соединяются между собой двумя осями – снизу винтом и направляющей
– сверху. На нижние оси с помощью штифтов закреплены колеса на которые
устанавливается объект контроля для упрощения поворота изделия вокруг
своей оси. Для перемещения преобразователя вдоль продольного шва
используется винтовая передача. Вращение на винт передается с помощью
маховика и редуктора. Для исключения раскоординирования системы и передачи
вращательного движения на баллон используется патрон в который зажимается
головка баллона. Для обеспечения хорошей подвижности механизма перемещения
в конструкции применены механизмы которые используют трение качения
(подшипники). Применение таких устройств позволяет снизить нагрузку на
электродвигатель при использовании жестких направляющих в конструкции.
Установленные радиально-упорные подшипники позволяют сделать конструкцию
более устойчивой и надежной в эксплуатации (исключается возможность
раскоординирования системы). Конструкция каретки дополнительно
предусматривает перемещение преобразователя по координате Z если объект
контроля имеет цилиндрическую форму. Постоянство акустического контакта
преобразователя обеспечивается силой притяжения магнитов установленных в
блоке преобразователя к металлической поверхности изделия. Изделие
устанавливается на прорезиненные колеса которые закреплены на двух осях.
Головка баллона зажимается в патрон. Устанавливаем зубчатое колесо
редуктора в левое положение и вращаем баллон до тех пор пока стрела
преобразователя не установится на зону сканирования. Затем перемещаем
зубчатое колесо в правое положение и вращая маховик перемещаем
преобразователь вдоль продольного шва. Эту операцию повторяем нужное
Для контроля кольцевого шва устанавливаем преобразователь в зону контроля
и вращая баллон производим сканирование.
Сборочный чертёж сканирующего устройства представлен на чертеже АМК
Расчет чувствительности и производительности контроля
Чувствительность определяется по ослаблению зондирующего сигнала. Расчет
ослабления сигнала для различных видов отражателей был произведен при
теоретическом анализе акустического тракта (таблицу 7.1).
Таблица 7.1 – Чувствительность контроля
Дефект Модель Чувствительность
Графики чувствительности приведены в приложении А. На этих графиках дана
зависимость ослабления сигнала от размера дефекта и глубины его залегания
(АМК-52.00.00.000 Д1).
Расчет производительности произведем на основе данных о методике
контроля схемы сканирования и размеров объекта контроля.
При этом необходимо учитывать время на оценку полученных результатов
подготовительные операции снятие объекта. Так же необходимо отметить что
настройку дефектоскопа производят один раз за рабочую смену.
Время нанесение контактной жидкости на поверхность ввода УЗ – волн примем
Время на перемещение преобразователя на другой уровень:
Время для установки устройства сканирования на объект контроля:
Время затрачиваемое при перемещении преобразователя по объекту контроля:
где: V—скорость сканирования [p
l – длина перемещения.
где [pic] – длина продольного шва.
[pic]- длина кольцевого шва.
t4=6419005 = 12838 сек.
Время на расшифровку результатов:
Данные по затратам времени приведённые для контроля половины одного
сварного соединения.
Время на поворот объекта контроля:
Время настройки прибора составляет t7 = 5 минут (300 секунд).
Окончательное время которое необходимо затратить на контроль изделия:
t = 2·(t1 + t2 + 2·(t3 + t4) + t5) + t6+ t7
t = 2·(80 + 20 + 2·(60 + 12838) + 15) + 20+300 = 1303 сек (21 мин)
В расчетах не учитывается время на зачистку поверхности снятие
контактной жидкости.
Как показал анализ литературных источников для контроля качества сварных
конструкций акустические методы получили широкое распространение наряду с
другими видами неразрушающего контроля. Наибольшее распространение для
контроля сварных изделий из акустических методов получил эхо-метод
обладающий высокой помехоустойчивостью и наибольшей чувствительностью.
В курсовом проекте была проведена разработка методики и технических
средств для УЗ контроля продольного и кольцевых стыковых швов сварного
Был произведен анализ: объекта контроля возможных дефектов существующих
методик УЗ контроля сварных швов существующих технических средств УЗ
контроля. Определены скорости акустических волн.
Был произведен анализ акустического тракта на основании которого был
выбран эхо-импульсный метод контроля сварных швов.
Также был рассчитан и спроектирован пьезоэлектрический преобразователь со
следующими характеристиками: рабочая частота 5 МГц радиус пьезопластины 3
мм угол наклона призмы 70° угол ввода поперечных волн в объект контроля
Была разработана методика контроля и спроектирована автоматизированное
сканирующее устройство позволяющее контролировать изделие с высокой
производительностью.
Также в ходе курсовой работы рачитали чувствительность производительность
ГОСТ 16037-80 Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные
типы конструктивные элементы и размеры. – М. Издательство стандартов
ГОСТ 8713-79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы
конструктивные элементы и размеры. – М. Издательство стандартов 1979.
Автоматическая сварка под флюсом Шеверницкий В.В Медовар Б.Н.; Под
ред. Патона Е.О. – Государственное научно – техническое издательство
машиностроительной литературы Киев 1948.
Марочник сталей и сплавов В.Г. Сорокин А.В. Волосникова С.А. Вяткин
и др.; Под общ ред. В.Г. Сорокина . – М.: Машиностроение 1989. – 640
Алешин Н. П. Щербинский В. Г. Ультразвуковой контроль сварных
соединений. – М.: Изд-во МГТУ2000. – 496 с.
Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля:
Практ. пособие И. Н. Ермолов Н. П. Алешин; Под ред. В. В.
Сухорукова. – М.: Высш. шк. 1991. – 283 с.
ГОСТ 14782-86 Контроль нерарушающий. Соединения сварные. Методы
ультразвуковые. – М. Издательство стандартов 1991. – 36с.
Неразрушающий контроль. В 7 кн. Ультразвуковой контроль: справочник
Под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение 2004. – 835 с.
Сергеев С. С. Приборы и методы акустического контроля. Аппаратура и
технология ультразвукового контроля. Методические указания к
самостоятельной работе для студентов специальности 1-54 01 02 «Методы
и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов. –
Могилев: ГУВПО «Белорусско-Российский университет» 2004. – 47 с.
Сергеев С. С. Приборы и методы акустического контроля материалов и
изделий. Методические указания к самостоятельной работе для студентов
специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и
диагностики состояния объектов. – Могилев: ГУВПО «Белорусско-
Российский университет» 2004. – 48 с.
Сергеев С. С. Приборы и методы акустического контроля. Методические
указания к курсовому проектированию для студентов специальности Т06.01
«Приборостроение».– Могилев: МГТУ 2001.– 35 с.
Методы акустического контроля металлов Под ред. Н. П. Алешина. – М.:
Сергеев С. С. Приборы и методы акустического контроля. Физические
основы акустического контроля. Методические указания к самостоятельной
работе для студентов специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы
контроля качества и диагностики состояния объектов. – Могилев: ГУВПО
«Белорусско-Российский университет» 2004. – 48 с.
Алешин Н. П. Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ.
пособ. – Мн.: Высш. шк. 1982. – 271 с.
Алешин Н. П. Щербинский В. Г. Радиационная ультразвуковая и
магнитная дефектоскопия: Учебник для ПТУ—М.: Высш. шк. 1991. – 271 с.
Карташов В.М. Контроль материалов металлов полуфабрикатов и изделий:
Учебник для средних ПТУ. – М.: Машиностроение 1988. – 256с.: ил.
Рисунок А.1 – Диаграмма направленности в полярной системе координат
Рисунок А.2 – Диаграмма направленности в декартовой системе координат
Рисунок А.3 – График зависимости отношения PP0 от частоты для
Расчет чувствительности наклонного преобразователя
Характеристики сред:
Угол наклона призмы: :=51º·deg
Путь ультразвука в призме:
Радиус пьезопластины:
Расстояние до дефекта:
Волновое сопротевление:
Угол ввода продольных волн =
Угол ввода поперечных волн =
Рисунок Б.1 – График чувствительности для модели дефекта типа диска
Рисунок Б.2 – График чувствительности для модели дефекта типа сфера
Рисунок Б.3 – График чувствительности для модели дефекта типа
ШПДКО 00.00.00.000 ПЗ
Разработка методики и технических средств для УЗ контроля сварного баллона.
Белорусско-Российский университет гр. МПК-051

зоны прозвучивания А3.cdw

стыкового кольцевого и
продольного сварных швов
с зонами прозвучивания
и схемами сканирования
Схема сканирования обьекта контроля

преобразователь.cdw

1 Клеить клей ЛСБ-1 ГОСТ 901-78
Припой ПОС-61 ГОСТ 1499-86

СПЦ однокоорд1.frw

Графики чувствительности.cdw

Зависимость амплитуды эхо-сигнала от дискообразного отражателя
Зависимость амплитуды эхо-сигнала от двугранного угла
Зависимость амплитуды эхо-сигнала от сферического отражателя

Расчёт чувствительности.doc

Расчёт чувствительности:
Характеристики сред:
Угол наклона призмы:
Путь ультразвука в призме:
радиус пьезопластины:
Расстояние до дефекта:
Волновое сопротевление
Угол ввода продольных волн =
Угол ввода поперечных волн =