Разработка методики и технических средств ультразвукового контроля сварных изделий

еу1.dwg

ГОСТ 2.104-68 Форма 1
ПреобразовательnnСборочный чертеж
Белорусско-российскийnуниверситет гр.
Белоруско-российскийnуниверситет гр. ПСЗ 021
Белорусско-российскийnуниверситет гр.ПСЗ 021
* Размеры для справокn2. Клей ЛБС1 ГОСТ 901-78n3. Припой ПОС-60 nГОСТ 21931-76

Записка .doc

Анализ характеристик объекта контроля 4
Сравнительный анализ известных методик и технических средств УЗ контроля
цилиндрических изделий
Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта) 21
Расчет и проектирование преобразователя 24
Разработка методики контроля и технических средств 26
1 Выбор частоты УЗ волн 26
2 Выбор типа УЗ – волн и направления их распространения в изделии 26
3 Выбор способа контакта 27
4 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы сканирования 28
5 Выбор способа регистрации и расшифровка результатов контроля 29
6 Выбор технических средств контроля 31
7 Разработка метрологического обеспечения средств контроля 32
8 Описание мероприятий по технике безопасности и охране труда 50
Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта 34
Расчет чувствительности и производительности контроля 35
Список использованных источников 39
Анализ характеристик объекта контроля
Целью проектирования является разработка методики и технических
средств ультразвукового контроля специзделия эскиз которого изображен на
Дефекты которые требуется выявить: внутренние несплошности (раковины
трещины поры) bмин = 2х10-3 м bмакс = 8х10-3 м.
Материал изделия – Д16 сплав алюминиевый деформируемый
акустические характеристики которого приведены ниже в таблице 2.[2]
Таблица 2 – Акустические характеристики материала Д16
Материал Модуль ПлотностСкорость звука Волновое
упругость гсм3мс сопротивл
Д16 071 268(1036390 3515 17х10-6
Коэффициент затухания (=0009 на частоте 2.5 МГц для продольной
Рисунок 1.1 – Эскиз изделия
Рисунок 1.2 - Основные виды дефектов: а – внутренние трещины в местах
перехода диаметров изделия; б –раковины
Сравнительный анализ известных методик УЗ контроля труб большой толщины
С помощью акустических методов можно в заготовках и изделиях
изготовленных практически из любых материалов обнаруживать поверхностные и
внутренние дефекты представляющие собой нарушения сплошности
неоднородность структуры дефекты склейки сварки и т.д. Важным
преимуществом акустических методов является возможность их применения для
контроля элементов машин и конструкций в условиях эксплуатации без их
К преимуществам контроля акустическими методами относятся:
высокая чувствительность:
большая проникающая способность;
возможность определения места и размеров дефекта;
высокое быстродействие позволяющее автоматизировать контроль;
возможность контроля при одностороннем доступе;
простота и высокая производительность контроля;
полная безопасность работы оператора и окружающих.
К недостаткам акустических методов контроля относится необходимость
разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей
необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности
контролируемых объектов и наличие мертвой зоны.
В настоящее время применяют следующие методы: теневой резонансный
эхо-импульсный эмиссионный велосиметрический импедансный метод
свободных колебаний.
В общем случае для контроля цилиндрических изделий (валов осей) может
использоваться прозвучивание прямым преобразователем перпендикулярно оси
прямым преобразователем с торца и наклонным преобразователем с боковой
поверхности в направлении перпендикулярном образующей (такое прозвучивание
называют хордовым). Хордовое прозвучивание выполняют преобразователем с
возможно меньшим углом ввода чтобы охватить максимальный объем металла
а) сплошной цилиндр б) тонкостенный полый цилиндр в) толстостенный
Рисунок 2.1 – Схемы прозвучивания цилиндров
В сплошном цилиндре при такой схеме прозвучивания
проконтролированным в полном объеме оказывается подповерхностный слой
металла толщиной Н определяемой из выражения:
где ( - угол преломления
D – диаметр цилиндра.
Часть объема цилиндра (на рисунке 2.1 а она заштрихована) оказывается
прозвученной только в двух направлениях – с торца и с боковой поверхности
прямым преобразователем.
Полые цилиндры прозвучивают по той же схеме что и сплошные но
полностью прозвученными можно считать только те из них у которых хорда
образованная осью наклонного пучка касается внутренней поверхности (или
пересекает ее) т.е. когда толщина цилиндра Н и его наружный диаметр D
связаны выражением (2.1).
Тонкостенные цилиндры с параметрами удовлетворяющими условию (2.1)
можно считать прозвученными в полном объеме если при хордовом
прозвучивании наблюдать не только зону охватываемую прямым лучом
(выявляются радиальные дефекты на внутренней поверхности цилиндра) но и
следить за отраженным лучом как показано на рисунке 2.1 б (выявляются
радиальные дефекты и на наружной поверхности цилиндра).
Для толстостенных цилиндров (рисунок 2.1 в) характерны заковы
расположенные в заштрихованной зоне если внутренней отверстие выполнено
ковкой или остатки ковочного креста при высверливании этого отверстия на
станке. В любом случае эти дефекты прямой преобразователь выявляет
ненадежно (за исключением зеркально-теневого варианта) и отсутствие
хордового прозвучивания в заштрихованной зоне существенно снижает
результаты контроля.
Чтобы выявить опасные дефекты в заштрихованной зоне полых
толстостенных цилиндров используют следующие приемы [3]:
прозвучивание до высверливания внутреннего отверстия;
дополнительную проверку внутренней поверхности каким-либо методом
поверхностной дефектоскопии.
Контроль вытянутых цилиндров с торцов выполняют по тому же принципу
что и контроль прямоугольных штанг или плит. Если диаметр сплошного
цилиндра или толщина стенки полого цилиндра меньше полуширины определенной
на расстоянии равном высоте цилиндра то контроль прямым преобразователем
с торца заменяют контролем наклонным преобразователем с боковой поверхности
При контроле круглых плит или плоских колец когда отношение их высоты
к диаметру или высоты к толщине меньше полуширины необходимо хордовое
прозвучивание заменить на контроль наклонным преобразователем с торца при
движении его по окружности. Прямое прозвучивание с боковой грани следует
заменить также наклонным прозвучиванием с торца но при движении его в
радиальном направлении.
На рисунке 2.2 приведены типичные схемы прозвучивания цилиндрических
- раздельно-совмещенный преобразователь -прямой
- наклонный преобразователь.
Рисунок 2.2 – Схемы контроля различных цилиндрических изделий
При всех заменах направлений прозвучивания цилиндрических изделий
используют преобразователь с возможно большим углом ввода. Обычно угол
падения равен 40( так как преобразователи с большими углами обладают как
правило недостаточной для тщательного контроля чувствительностью.
Литье подразделяют на слитки предназначенные для дальнейшей обработки
давлением и отливки. Ультразвуковой контроль обнаруживает раковины поры
инородные включения неслитины плены заливины [2]. Отливки из сталей
перлитного класса прошедшие термообработку типа нормализации а также из
сплавов алюминия титана имеют мелкозернистую структуру с достаточно малым
рассеянием ультразвука.
От контроля поковок контроль отливок отличается тем что он ведется на
пониженной частоте (1..2 МГц) и чувствительности ввиду более
крупнозернистой структуры. Если схема контроля предусматривает
прозвучивание только при одном направлении лучей то выбор этого
направления некритичен так как преимущественная ориентация дефектов
Отливки из флокеночувствительных материалов контролируют обычно только
в подприбыльной части для выявления флокеноподобных дефектов называемых
иногда светлыми пятнами [3].
Контроль проводят с соблюдением условия прозвучивания этой части
отливки в трех перпендикулярных направлениях или близких к ним.
Чувствительность фиксации не менее 5 мм2 так как дефекты типа светлых
пятен обладают низкой отражательной способностью.
Массивные отливки простой формы которые ввиду толщины не могут быть
проконтролированы методами просвечивания подвергают сплошному
ультразвуковому контролю. Например цилиндрические отливки после
всесторонней механической обработки прозвучивают полностью прямым и
наклонным преобразователями как и поковки.
В настоящее время ультразвуковой контроль является одним из наиболее
разработанных видов неразрушающего контроля поэтому существует множество
устройств ультразвукового контроля изделий в том числе устройств для
контроля деталей цилиндрической формы.
Например одним из них является устройство приведенное на рисунке
Рисунок 2.3 - Устройство для ультразвукового контроля деталей имеющих
Изобретение касается неразрушающего контроля и может быть использовано
для ультразвукового контроля изделий имеющих форму тел вращения.
Устройство содержит закрепленный на основании с возможностью вращения
предметный столик соосно с ним закрепленную на столе ведомую шестерню с
пазами выполненную по спирали Архимеда радиальные направляющие ведущую
шестерню соединенную с ней приводную рукоятку жестко закрепленную на
столе иммерсионную ванну редуктор с валом на котором жестко закреплен
стол юстировочный узел и закрепленный на нем ультразвуковой
Контролируемое изделие устанавливается на направляющие вращением
рукоятки производится радиальное перемещение кулачков которые зажимают и
центрируют изделие. В ванну заливается иммерсионная жидкость стол вместе с
ванной и контролируемым изделием приводятся во вращение приводом а
ультразвуковому преобразователю задается вертикальное перемещение при этом
контроль производится по винтовой линии.[6]
Для контроля цилиндрических изделий разработано и устройство схема
которого приведена на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Устройство для контроля цилиндрических изделий
Устройство для наружного ультразвукового контроля цилиндрических
изделий содержит основание с упорами установленную на нем ходовую тележку
с приводом закрепленную на тележке опору с установленной на ней обоймой с
набором из четырех преобразователей и механизм ориентации обоймы.
Объект контроль устанавливается внутрь обоймы с преобразователями
затем ходовая тележка проходит по основанию до одного из упоров. Обойма с
преобразователями поворачивается с помощью механизма ориентации на
требуемый угол (в зависимости от параметров преобразователей) и тележка
идет в обратную сторону до второго упора. Процесс повторяется пока не
будет прозвучен весь объект контроля.[7]
Устройство для ультразвукового контроля изделий цилиндрической формы
представлено на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Устройство для УЗ контроля изделий цилиндрической формы
Устройство устанавливается на контролируемое изделие 10 таким образом
чтобы корпус 6 направленный V-образным вырезом 9 в сторону контролируемого
изделия 10 касался его одновременно с УЗ преобразователем 7. После этого с
помощью привода 11 приводят во вращение контролируемое изделие 10 и
одновременно по направляющей 1 перемещают ползун 2 с жестко прикрепленной к
нему тягой 3 к которой в свою очередь жестко прикреплена вилка 4 с
упругими держателями 8 удерживающими ось 5 с квадратным сечением на
которой установлен корпус 6 с УЗ преобразователем 7.В момент перехода
корпуса 6 со ступени меньшего диаметра на ступень большего диаметра он
поворачивается вместе с квадратной осью 5 на некоторый угол. Упругие
держатели 8 воздействуя на конец оси 5 противодействуют повороту корпуса
и после перехода его на ступень большего диаметра возвращают корпус 6 в
положение перпендикулярное продольной оси изделия 10. Одновременно корпус
скользя вдоль оси 5 вновь самоустанавливается вдоль продольной оси
Еще одним устройством является устройство ультразвукового контроля
цилиндрических изделий представленное на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 – Устройство УЗ контроля цилиндрических изделий
Устройство работает следующим образом. При подходе контролируемого
изделия 26 к левому следящему ролику 9 последний благодаря своей конической
форме поднимается и поворачивает плечо 11 левого двуплечего рычага который
своим плечом 14 через дополнительный рычаг 16 и плечи 14 и 11 правого
двуплечего рычага опускает правый следящий ролик 9. Кронштейн 5 с
установленной на нем иммерсионной ванной 1 находится в нижнем положении и
поддерживается нижним регулируемым упором 19 и только при воздействии
контролируемого изделия 26 на правый следящий ролик 9 кронштейн 5
поворачиваясь относительно осей 8 против часовой стрелки прижимает через
пружины 2 иммерсионную ванну 1 к контролируемому изделию 26. Происходит это
за счет воздействия плеча 14 правого двуплечего рычага через дополнительный
рычаг 16 на кронштейн 5. Слежение иммерсионной ванны 1 за контролируемым
изделием 26 осуществляется двухступенчато: неточности формы отслеживаются
пружинами 2 биение и другие перемещения изделия возникающие при его
подаче отслеживаются через следящие ролики 9 кронштейном 5. При движении
контролируемого изделия 26 оси 10 следящих роликов 9 поворачиваются на осях
до соприкосновения упоров 25 с одной из кромок сегментных пазов осей 10.
При смене диаметра контролируемого изделия 26 производится регулировка
исходного положения следящих роликов 9 регулировкой угла наклона плеч 11
двуплечих рычагов на которых закреплены следящие ролики 9.[9]
Основные средства измерения
Ультразвуковой дефектоскоп УД2-70
В настоящее время зарубежной и отечественной промышленностью
разработано большое количество моделей дефектоскопов среди которых есть
как универсальные так и специальные.
Рисунок 2.7 – Внешний вид прибора
Дефектоскоп ультразвуковой УД2-70 предназначен для контроля сплошности
сварных соединений листовых элементов труб котлов рельсов деталей
подвижного состава и других металлоконструкций а также измерения толщин.
По показателю эффективностьстоимость прибор превосходит отечественные и
зарубежные дефектоскопы общего назначения. Ультразвуковой дефектоскоп УД2-
предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения
сплошности и однородности материалов готовых изделий полуфабрикатов и
сварных (паяных) соединений измерения глубины и координат залегания
дефектов измерения отношений амплитуд сигналов отражённых от дефектов
Особенности дефектоскопа:
два независимых измерительных строба
система автоматической сигнализации дефектов
возможность запоминания: 100 программ настроек 100 изображений
экрана 2000 результатов измерения параметров сигналов
режим "электронная лупа
протоколирование процедуры контроля с использованием программного
обеспечения "Ultra UD2-70
Таблица 2.2 - Основные технические характеристики
5; 18; 25; 50; 100МГц
Диапазон контроля (по стали)
Диапазон диапазон усиления приёмного тракта
Динамический диапазон временной регулировки чувствительности(ВРЧ)
Абсолютная погрешность при измерении глубины залегания дефекта
Абсолютная погрешность при измерении отношения амплитуд сигналов
Время непрерывной работы от аккумуляторной батареи
Габаритные размеры (без ручки)
Диапазон рабочих температур
Как видно из характеристик дефектоскопа УД2-70 данный прибор
удовлетворяет условиям контроля заданного объекта. Дополнительными
преимуществами данного прибора являются автономное питание малые габариты
Портативные ультразвуковые дефектоскопы USN - серия (USN 50L & R USN
R & L) Микропроцессорные дефектоскопы малых размеров и веса с современным
дисплеем с цифровой обработкой сигналов
USN 52V Auto-V. Прибор базируется на USN 52 и предназначен для
измерения толщины материала чья скорость неизвестна или варьируется.
USM 22В. Базовый дефектоскоп.
USD 15X и USD 15SX. Компактные процессорные переносные и стационарные
универсальные дефектоскопы с превосходными техническими данными: полностью
цифровые но такие же быстродействующие как и в аналоговых приборах
выходы для ручного и автоматического контроля.12
Рисунок 2.8 – Внешний вид прибора
Дефектоскоп ультразвуковой УД4-Т является универсальным прибором
томографиком который предназначен для контроля сплошности сварных
соединений листовых элементов труб котлов рельсов колесных пар деталей
подвижного состава и других металлоконструкций а также измерения толщин
построения томографии (В-скан и D-скан). По показателю
эффективностьстоимость прибор превосходит отечественные и зарубежные
дефектоскопы общего назначения. Ультразвуковой дефектоскоп УД4-Т
Многофункциональный дефектоскоп нового поколения
-Частотный диапазон с плавной регулировкой от 04 до 10 МГц;
-Два независимо - управляемых строба (А и В);
-Автоматическое или ручное построение кривой ВРЧ (до 256 точек);
-Два вида ценка конфигурации и размеров дефектов по томографическому
-Автоматическое определение скорости УЗК и задержки в призме;
-Система слежения за акустоконтактом.
Эксплуатационные данные:
Питание: 220V 50Hz10 W
Батарея: Li-on мониторинг автоподзарядка
Цветной TFT дисплей: 320x240 dpi
Интерфейс: RS 232 IrdA Ethernet
Работа от батареи: не менее 10ч
Размеры: 125x210x85 мм
Масса: с батареей 22 кг
Климатика: IP54 -20+50 °С.
Как видно из характеристик дефектоскопа УД4-Т данный прибор
Дефектоскоп ультразвуковой УД2-102 «ПЕЛЕНГ» (рисунок 2.9) 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 от дефекта;
наряду с эхо- и зеркально-теневым методами контроля- зеркальный метод;
возможность контроля по заранее подготовленным вариантам настройки;
возможность подключения дефектоскопа к ПК.
Рисунок 2.9 – Внешний вид прибора
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
0 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 [15].
Система измерительная для контроля тел вращения БВ-2045 изображена на
Рисунок 2.10 - Система измерительная для контроля тел вращения БВ-2045
Назначение: Контроль формы и расположения поверхностей деталей типа
тел вращения. Технические характеристики системы представлены в таблице 2.3
Таблица 2.3 - Технические характеристики
Габаритные размеры измеряемой детали мм не более 260 х 250
Масса измеряемой детали кг не более 10
Предельные размеры контролируемых поверхностей мм:
наружный диаметр от 1 до 250
внутренний диаметр от 7 до 250
высота детали до 250
глубина измерения до 110
Диапазон измерения отклонений мм от 0 до 1
Дискретность отсчета мкм 01
Погрешность измерения мкм не более:
отклонений формы (некруглость огранка волнистость) 15
отклонений расположения (неперпендикулярность несоосность 25
отклонение от концентричности)
радиального биения 3
Одноканальная ультразвуковая плата PCUS-10 представлена на рисунке
Рисунок 2.11 - Одноканальная ультразвуковая плата PCUS-10
Описание:PCUS10 – одноканальная ультразвуковая плата которая может
быть встроена в персональный компьютер. Она включает все компоненты
необходимые для ультразвукового контроля (генератор импульсов усилитель
фильтр АЦП последующую цифровую обработку сигнала для обмена с
компьютером по шине ISA). Программное обеспечение поставляемое вместе с
платой формирует на дисплее привычный экран дефектоскопа (А-развертка) и
окна для ввода параметров контроля.
Установив плату PCUS10 в компьютер вы получаете дефектоскоп который
формировать два строб-импульса;
задавать графически или таблицей кривую ВРЧ;
задавать графически или таблицей кривую уровня срабатывания АСД;
изменять форму представления сигналов на экране (детектированный
сохранять и вызывать в последующем параметры контроля и
запоминать результаты контроля (до 100 А-разверток) и просматривать
вносить в процессе измерений пометки оператора;
формировать и печатать протокол контроля.
Программное обеспечение допускает одновременную работу до 4-х плат PCUS10 в
Системные требования:
процессор 486DX или Pent
возможность предварительной настройки в лабораторных условиях
сохранение параметров настройки с последующим вызовом из памяти при
возможность сохранения результатов контроля просмотр и анализ
результатов после проведения контроля;
печать протокола контроля; можно распечатать эхограмму и вид сигнала
все параметры контроля.
Следовательно для контроля литого изделия будем применять эхо
-импульсный метод контроля прямыми преобразователями по торцевой
поверхности и по боковым граням специзделия.
Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)
На основе предыдущего пункта в качестве метода контроля выбираем эхо-
метод с использованием прямого преобразователя так как данный метод
обладает хорошей чувствительностью простотой реализации и достаточной
помехоустойчивостью.
Произведем анализ акустического тракта. Акустическим трактом называют
путь ультразвука от излучателя до дефекта или другого препятствия и затем к
приемнику колебаний.
В изделии возможно появление дефектов в виде раковин и трещин. Так как
по заданию необходимо выявить внутренние несплошности то при анализе
акустического тракта формулы выводят для моделей дефектов в виде полых
отражателей простой формы. Так например дефект в виде раковины
моделируется сферой трещины или оксидные пленки – диском [10].
Рисунок 3.1 – Схема акустического тракта при контроле прямым
преобразователем для дефекта в виде трещины.
Рисунок 3.2 – Схема акустического тракта при контроле прямым
преобразователем для дефекта в виде раковины.
На пути от излучателя до дефекта и от дефекта к приемнику происходит
дифракционное ослабление ультразвуковых волн. Действие данного фактора
[pic] учитывается при вычислении по формулам акустического тракта или
более точным расчетам по номограммам для эхо-метода [10]. В случае когда
дефект имитируется диском:
где Sa – площадь пьезопластины мм2;
S1 – площадь дефекта мм2;
λ – длина волны в изделии мм;
r – расстояние до дефекта мм.
В случае когда дефект имитирован сферой:
где d – диаметр сферы мм.
При расчете требуемого коэффициента усиления прибора принимается
наибольшее ослабление сигнала то есть минимальное значение параметра
Затухание ультразвука в материале объекта и акустической задержки
учитывается множителем exp(-(r-(3r3) где r и r3 - пути в объекте и
задержке вдоль центрального луча; ( и (3 - коэффициенты затухания
ультразвука в объекте и задержке [10]. При прохождении звука в прямом и
обратном направлениях величины r и r1 умножаются на 2.
Таким образом суммарное ослабление ультразвука в акустическом тракте
определяется произведением:
Ослабление ультразвука в акустическом тракте для прямого
преобразователя при отражении от сферы определяется по формуле:
преобразователя при отражении от диска определяется по формуле:
Sa – площадь пьезопластины;
r – путь ультразвука от точки ввода до дефекта;
– коэффициент затухания в объекте контроля.
Расчет и проектирование преобразователя
Прямой пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезопластины
демпфера и корпуса. Основным элементом преобразователя является
пьезопластина имеющая как правило круглую форму. Для расчета
пьезопластины необходимо определить рабочую частоту на которой работает
пьезопреобразователь.
Выбор частоты осуществим 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 b - характеристический размер дефекта.
(= 6390f 2.2(10-3 (4.2)
По рекомендации [3] рабочая частота контроля алюминиевых поковок
составляет 35-5 МГц выбираем частоту 5 МГц и проверяем выполнение условия
90(5(106) = 128(10-3 4(10-3 (4.3)
Условие соблюдается поэтому выбираем частоту контроля 5 МГц.
Выберем в качестве материала пьезопластины ЦТС-19 так он обладает
высоким коэффициентом электромеханической связи =04 который определяет
эффективность возбуждения и приема пластиной акустических волн и
достаточно высоким значением диэлектрической постоянной =1525±325 что
позволяет применить соединительный электрический кабель с большой удельной
емкостью [12] его основные характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3- Характеристики ЦТС-19
Скорость Плотность ХарактеристичесДиэлектрическаПьезомодуКоэфф.
звука ( 10-3. кий импеданс я постоянная (ль электромехани
С 103 мскгм3 Z 10-6 Па см D 1012 ческой связи
Толщина пьезопластины h1 выбирается полуволновой для рабочей частоты
f на которой ведется контроль
где c1 – скорость звука в материале пьезопластины мс;
f – рабочая частота МГц.
Радиус пьезопластины a определяем из отношения af=12..15 мм МГц.
Материал демпфера выберем из [3]. Это эпоксидная смола ЭД-5 с
наполнителем РbO (70%). На частоте 5 МГц она имеет коэффициент затухания
(Д=435 м-1. Толщина демпфера должна обеспечивать уменьшение амплитуды
ультразвуковых колебаний не менее чем на 60 дБ вследствие затухания
Так как ультразвук дважды проходит через демпфер то минимальная
толщина демпфера равна
Далее определим параметры ближней зоны преобразователя по формуле:[9]
угол раскрытия основного лепестка
Для приложения электрического поля на противоположных поверхностях
пьезоэлемента располагают металлические (обычно серебряные или никелевые)
Для защиты пьезопластины от истирания и повреждения к ней с рабочей
стороны приклеивают или припаивают протектор. Помимо высокой
износостойкости протектор должен обеспечивать наилучшее прохождение
ультразвука через границу пьезоэлемент-контролируемое изделие и высокую
стабильность акустического контакта [3].
Материал протектора при излучении в жидкость должен быть по
характеристическому акустическому импедансу Z2 возможно ближе к значению
где Z1 и Z3 – характеристические импедансы пьезопластины и воды.
Материал протектора выберем полистирол. Он обладает большим
коэффициентом поглощения ультразвука что обеспечивает хорошее гашение
многократных отражений. Он может легко деформироваться и в определенной
мере облегать неровности поверхности изделия что также благоприятствует
стабильности акустического контакта.
Толщина протектора выбирается четвертьволновой.
где Спрот – скорость звука в материале протектора.
Таким образом преобразователь состоит из следующих составных
элементов: пьезопластины демпфера протектора и корпуса. Конструкция
преобразователя изображена на чертеже 00.00.00.000.СБ.
Разработка методики контроля и технических средств
1 Выбор частоты УЗ волн
Частота контроля определяется в основном коэффициентом затухания
минимальными размерами выявляемых дефектов и габаритами контролируемого
изделия. Зная эти характеристики можно оценить и выбрать оптимальную
частоту которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при
минимальных потерях ультразвуковой энергии на рассеяние и поглощение.
Обычно контроль деталей полученных литьем из алюминевых сплавов
проводится на повышенных частотах из-за малого коэффициента затухания в
данном случае материалом объекта контроля является алюминиевый сплав Д16.
Одним из главных критериев выбора оптимальной частоты является допустимый
размер дефекта который в данном случае составляет bmin=2(10-3 м. Т.е.
необходимо чтобы удовлетворялось условие (bmin. А как известно длина
волна ( непосредственно связана с частотой. 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[1]. 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 частоту
прозвучивания равной 5 МГц.
2 Выбор типа УЗ волн и направления их распространения в изделии
Продольные и поперечные волны применяют обычно для выявления дефектов
в толще и вблизи поверхности массивных деталей толщина которых значительно
превосходит длину волны.
Поверхностные волны применяют для обнаружения дефектов
непосредственно выходящих на поверхность или залегающих на глубине не более
длины поверхностной волны. Их чувствительность уменьшается с увеличением
глубины и практически достигает нуля на глубине равной длине волны.
Для выявления подповерхностных дефектов применяют головные волны. 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 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
Для контроля заданного изделия выбираем продольные волны которые
будут вводиться прямым совмещенным преобразователем с двух сторон изделия
(по торцу и по образующей). Схема прозвучивания изделия прямыми
преобразователями представлена на чертеже 00.01.00.000 Д1.
Такое направление прозвучивания прямыми преобразователями позволяет
выявить поры и различные включения в объекте контроля продольными волнами.
3 Выбор способа контакта
В зависимости от толщины слоя контактной смазки hсм в акустическом
контроле различают три способа ввода ультразвуковых колебаний
(акустического контакта):
- контактный (hсм ();
- щелевой (hсм ( ();
- иммерсионный (hсм >> ().
В данном случае объект контроля прошел токарную обработку что
налагает определенные условия на качество его поверхности. Т.е. можно
считать шероховатость поверхности приемлемой для обеспечения контактного
способа ввода ультразвуковых колебаний через слой контактной смазки.
При контактном способе слой жидкости имеет толщину меньше длины волны
ультразвука в ней. Этого достигают путем плотного прижатия преобразователя
к объекту контроля на поверхность которого предварительно наносят смазку.
Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению
качества акустического контакта и как следствие к снижению достоверности
результатов контроля [4]. Поэтому при проектировании устройства
сканирования и прозвучивания заданного изделия необходимо обеспечить
постоянный акустический контакт преобразователя с объектом контроля.
Для создания стабильного акустического контакта в качестве контактной
смазки для данного случая будет использоваться клей КМЦ -1 который
обладает хорошей смачиваемостью и легко удаляется с объекта контроля.
4 Выбор мест ввода УЗ волн и схемы сканирования
Как уже было сказано ранее контроль заданного объекта контроля будет
проводиться прямыми преобразователями. Указанные поверхности являются
относительно ровными так как подвергнуты токарной обработке не имеют
выступов и выемок мешающих перемещению преобразователя. Т.е. поверхность
не имеет наплавов окалин грубых неровностей характерных для отливок
покрытий и не требует предваряющей контроль обработки (механической или
химической) мест ввода УЗ колебаний.
Для обеспечения контроля всего изделия необходимо преобразователь
перемещать по поверхности объекта с определенным шагом. При этом сама схема
сканирования определяется формой и размерами объекта контроля параметрами
преобразователей типом используемых волн и другими факторами. Шаг
сканирования выбирается равным радиусу пьезопластины (3мм).
5 Выбор способа регистрации и расшифровка результатов контроля
Регистрация результатов контроля будет производиться оператором путем
визуального наблюдения за экраном дефектоскопа. Так как объект имеет
переменную толщину то при каждой перестановке с одной ступенчатой
поверхности детали на другую необходимо перенастраивать дефектоскоп на иную
глубину прозвучивания т.е. изменять зону стробирования.
Рассчитаем зоны стробирования для всех установок преобразователей
(прямого и наклонного) на контролируемое изделие.
Зона стробирования на экране дефектоскопа будет рассчитываться исходя
из скорости распространяющейся в объекте контроля волны и максимального
расстояния подлежащего прозвучиванию для данной установки преобразователя.
Т.е. величина зоны стробирования (в секундах) будет рассчитана по формуле:
где h – толщина объекта контроля для данного положения
С – скорость продольной волны вводимой в объект контроля.
Тогда согласно рисунку 5.3 рассчитаем сначала зону стробирования для
положения 1 прямого преобразователя.
В данном случае преобразователь будет прозвучивать толщину объекта
контроля по ступеням поэтому величина будет изменяться согласно заданию
Рисунок 5.3 – Схема для расчета зон стробирования
Рассчитаем величину t1 при контроле объекта с торцевой стороны при h=
h1+h2+h3+h4 мм = 260 мм):
Аналогично проведем расчет для положений 2 и 3 прямого
Для позиции 2 h = h2+h3=120 мм [pic] (с)
Для h = h3=80 мм [pic] (с)
Подсчитаем время прохождения ультразвука при перемещении прямого
преобразователя по грани объекта положения 4 5 6 и 7:
Для R = R1 – 30 = 40 мм [pic](с)
Для R = R2 – 30 = 210 мм [pic](с)
Для R = R3 – 30 = 290 мм [pic](с)
Для R = R4 – 30 = 100 мм [pic](с)
Т.е. в процессе контроля на экране дефектоскопа могут возникнуть
ситуации показанные на рисунке 5.4.
зона стробирования а) зона стробирования б)
а) дефекта нет; б) дефект в зоне стробирования;
Рисунок 5.4 – Сигналограммы для различных случаев расположения дефекта
Осциллограмма изображенная на рисунке 5.4 а) имеет место тогда когда
ультразвуковой пучок на своем пути в объекте контроля не встретил дефекта.
6 Выбор технических средств контроля
Для создания требуемого напряжения на пьезоэлементе и регистрации
импульсов приходящих от пьезоэлектрического преобразователя используются
ультразвуковые эхо – дефектоскопы.
Рисунок 5.5 – Внешний вид прибора
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 ГОСТ 14782-86 предусмотрен комплект из четырех стандартных
В данном случае для настройки и проверки характеристик прибора 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 сплава АМГ размерами
0(59(30 мм и накладку (рисунок 5.5) которую укрепляют четырьмя винтами.
Рисунок 5.5 – 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 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 [5].
Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта
Устройство предназначенное для механизированного контроля поковки
представлено на чертеже 01.00.00.000 СБ.
Так как поковка дополнительно обрабатывается на токарном станке то
сканирующее устройство разрабатывалось с учетом экономии времени и
повышения производительности контроля. Разработанное устройство входит в
комплект станочного приспособления и перед контролем устанавливается на
резцедержатель токарного станка.
Устройство для ультразвукового контроля поковки представляет собой
блок преобразователей 1 форма и габаритные размеры которого подобраны
таким образом чтобы можно было закрепить их в стандартном резцедержателе
входящем в комплект как обычного токарного станка так и станка с ЧПУ.
Блок преобразователя имеет возможность поворота для чего используется винт
Блок преобразователя прямого 1 в который входит преобразователь
прямой 3 используется для выявления наличия внутренних дефектов (трещин
расслоений плоских включений).
При контроле цилиндрической части поковка приводится во вращательное
движение с помощью шпинделя а суппорт с резцедержателем и блоком
преобразователя 1 перемещаются вдоль оси объекта контроля при этом не
меняя положения и находясь на центральной линии образующей цилиндрической
На блок преобразователя 1 устанавливается штуцер 7 с помощью скобы 5
и закрепляется винтами 8. Штуцер служит для подачи контактной жидкости в
На чертеже не показаны провода и шланги для подключения
преобразователей и подачи контактной жидкости. Для диаметров меньше 200 мм
следует использовать притертые преобразователи.
В качестве дефектоскопа выберем прибор УД4–Т.
Ввод ультразвуковых лучей в объект контроля производится прямым
преобразователем продольными волнами на частоте 5 МГц.
Расчет чувствительности и производительности контроля
Чувствительность определяется по ослаблению зондирующего сигнала.
Расчет ослабления сигнала для различных видов отражателей (сфера диск) был
произведен при теоретическом анализе акустического тракта.
Для построения графиков используем следующие данные:
Формулы для расчета:
Материал объекта контроля: Д16;
Продольная скорость в материале объекта контроля: Cl2 = 6390мс
Поперечная скорость в материале объекта контроля: Ct2 = 3515мс
Плотность материала объекта контроля: ρ2=268(103 гсм3
Коэффициент затухания: = 0.009 дБ мм
Заданные размеры дефектов:
для сферы и полосы bmin= 2 мм
для диска Smin = bmin2 мм2
Параметры преобразователя:
Рабочая частота: f=5 МГц
Длина излучаемой волны: [pic]
Радиус пьезопластины: а=3мм
Площадь пьезопластины: Sa = a2 мм2
Угол наклона призмы: = 0°
Дополнительные данные:
Коэффициент прохождения через границу раздела двух сред:
Где Z1 = ρ1Cl1 - удельное волновое сопротивление оргстекла
Zl = ρ2Cl2 - удельное волновое сопротивление стали для продольной
Zt = ρ2Ct2 - удельное волновое сопротивление стали для поперечной
Расстояние до дефекта:
До диска и сферы: r=0 290 мм.
Исходя из выше указанных графиков получим отношение амплитуд сигналов
[pic] при контроле эхо – импульсным методом которые представлены в таблице
Таблица 7.1 – Выходные данные
Дефект Максимальная Размер дефекта bАмплитуда
глубина залеганиямм сигнала PP0
Диск 290 2 (10-3 м -51.79
Сфера 290 2 (10-3 м -77.665
Следовательно основываясь на этих данных при помощи программы
«Sonic for Windows» получим графики чувствительности для прямого ПЭП
которые приведены на чертеже 00.00.00.000 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
Время на перемещение преобразователя на другой уровень:
t2=2·10=20 сек. (7.2)
Время для установки и переворота отливки на станок:
t3=2·30=60 сек. (7.3)
Время затрачиваемое при перемещении преобразователя по объекту
где: V—скорость сканирования 01мс=100ммс;
l – длина перемещения.
где R3 – максимальный радиус изделия мм
R4 – радиус объекта при контроле с обратной сторонымм
R5 – радиус отверстия в специзделии.
h – шаг сканирования h=a=3мм.
Длина пути преобразователя по торцу объекта контроля:
где n – число окружностей образующих спираль для сканирования
n = (R3-R0)h = (320 - 30)3=97.
t4=(73513+107.105)0.1= 1143513 с. (7.9)
Время на расшифровку результатов:
t5 = 120 сек. (7.10)
Окончательное время которое необходимо затратить на контроль изделия:
t = t1 + t2 + t3 + t4 + t5
t = 40 + 20 + 60 +1143513 +120= 1143753 с. (7.12)
В расчетах не учитывается время на зачистку поверхности снятие
контактной жидкости и настройку дефектоскопа.
В данном курсовом проекте разработана автоматическая установка для
контроля специзделия из алюминиевого сплава
Проведен сравнительный анализ возможных методов неразрушающего
контроля. В ходе анализа установлено что для контроля специзделия
оптимальным методом контроля является ультразвуковой эхо-импульсный метод
прямым преобразователем
Был проведен теоретический анализ акустического тракта для каждого из
видов дефектов возникающих в изделии в ходе чего получены графики
зависимости изменение амплитуды эхо-сигнала от глубины залегания дефекта и
Разработан ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
который обладает следующими характеристиками:
- рабочая частота f = 5МГц;
- размер пъезопластины 2а=6 мм.
Разработано устройство для автоматизированного контроля специзделия
которое увеличивает производительность контроля за счет увеличения
скорости контроля и подачи контактной жидкости в зону контроля.
Список использованных источников
ГОСТ 14771-79 Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные.
Основные типы конструктивные элементы и размеры. – М. Издательство
стандартов 1979. – 11с.
Марочник сталей и сплавов В.Г. Сорокин А.В. Волосникова С.А.
Вяткин и др.; Под общ ред. В.Г. Сорокина . – М.: Машиностроение 1989. –
Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы
контроля: Практ. пособие И.Н. Ермолов Н.П. Алешин А.И. Патапов; Под ред.
В.В. Сухорукова. – М.: Высш. Шк.1991. – 283 с. ил.
Контроль сварочных работ: Спец. технология: Учеб. пособие Куликов
В. П. Лупачёв В. Г. – Мн.: Полымя 2001. – 480 с.
Алешин Н. П. Щербинский В. Г. Радиационная ультразвуковая и
магнитная дефектоскопия: Учебник для ПТУ—М.: Высш. шк. 1991. – 271 с.
Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий.
Справочник. В 2-х кн. Кн.2 Под ред. Клюева В.В. - М.: Машиностроение
А.С. 1260847 СССР МКИ G01 N 2904. Устройство для ультразвукового
контроля изделий цилиндрической формы С.А. Егоров В.А. Важинский Ф.С.
Борисов (СССР.) - №385745025-28; Заявлено 22.02.85; Опубл. 30.09.86;
А.С. 1233035 СССР МКИ G01 N 2904. Устройство для неразрушающего
контроля цилиндрических изделий С.Л. Добрынин Т.И. Тубушкина В.Н. Шпаков
(СССР.) - №354092725-28; Заявлено 13.01.83; Опубл. 23.05.86; Бюл.№19.
Алешин Н. П. Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ.
пособ. – Мн.: Высш. шк. 1982. – 271 с.
Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.
Машиностроение 1981 – 240 с. ил.
Ультразвуковая дефектоскопия: 2-е изд. Выборнов Б.И. М.:
Машиностроение 1986.- 256с.
контроля: Практ. пособие И. Н. Ермолов Н. П. Алешин; Под ред. В. В.
Сухорукова. – М.: Высш. шк. 1991. – 283 с.
Ультразвуковой дефектоскоп USN 58L Krautkramer
дефектоскоп «Пеленг»
Белорусско-Российский
Разработка технических средств и методики ультразвукового контроля
Пояснительная записка

СПЦ ручное 02еу.dwg

Шайба 4 ГОСТ 11371-78
Шайба 2 ГОСТ 9658-78
Гайка М4 ГОСТ 5915-70
Винт М3х16 ГОСТ 17473-80
Винт М2х6 ГОСТ 17473-80
Винт М16х4 ГОСТ 1476-84

ЭМК - часть 2 исходный.bak.cdw

Зависимость суммарного магнитного напряжения в магнито-
проводе от магнитного потока и индукции в изделии
Зависимость магнитных напряжений в зазоре U
от магнитного потока в изделии
Зависимость магнитного напряжения в магнитопро-
воде от магнитного потока в нём
Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе
Расчёт устройства для
намагничивания изделия
в процессе магнитного контроля
Расчётная схема электромагнита
Эквивалентная электрическая схема электромагнита
Кривая намагничивания материала изделия

А2.dwg

Белоруско-российскийnуниверситет гр. ПСЗ 021

3 ЧертежПЭП A2.cdw

1 Клеить Клей ЛБС 1 ГОСТ 901-78
Паять Припой ПОС 61 ГОСТ21930-76
Преобразователь прямой
Беларусско-Российский
университет гр. МПКЗ - 061

специф преобр 00 еу.dwg

Разьем высокочастотный
Разьем Ке 035.006 ТУ
Белорусско Российскийnуниверситет гр ПСЗ 021
Преобразователь наклонный.nСборочный чертеж

Курс. по АК (св.короб).DOC

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Кафедра “Физические методы контроля”
По курсу «Приборы и методы акустического контроля»
тема проекта: «Разработка методики и технических средств для
ультразвукового контроля сварного изделия»
Руководитель: Сергеев С.С.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по курсу
«ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ»
Анализ характеристик объекта контроля
Сравнительный анализ известных методик УЗ – контроля сварных швов
Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)
Расчет и проектирование преобразователя
Разработка методики контроля и технических средств
1 Выбор частоты УЗ волн
2 Выбор типа УЗ – волн и направления их распространения в изделии
3 Выбор способа контакта
4 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы сканирования
5 Выбор способа регистрации и расшифровка результатов контроля
6 Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта
Расчет чувствительности и производительности контроля
Список использованных источников
Одним из действенных резервов повышения качества и надежности
продукции машиностроения и других отраслей является неразрушающий контроль.
Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с
другими методами неразрушающего контроля она обладает важными
преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа
трещин 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 подобную
рентгенограмме. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в
различных отраслях народного хозяйства: в энергетике тяжелом и химическом
машиностроении на железнодорожном транспорте в судостроении. Ежегодно
методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров
сварных соединений металлоконструкций десятки тысяч трубных соединений
котлоагрегатов сварных стыков рельсов оценивается качество деталей
сосудов и аппаратов высокого давления поковок труб листового проката и
другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От
их квалификации теоретической и практической подготовки во многом зависит
объективность получаемых результатов контроля.
Целью проектирования является разработка методики и технических средств
для ультразвукового контроля сварного шва. Конструируемым изделием является
профильное изделие состоящее из двух профилей соединенных при помощи
автоматической сварки под слоем флюса по ГОСТ 14771-69. Эскиз сварного шва
изображен на рисунке 1.2 размеры сварного шва приведены в таблице 1.1.
Внешний вид изделия изображен на рисунке 1.1.
Нагружение может производиться на пластины профилей при этом могут
образовываться трещины направленные вдоль оси симметрии шва. Так же могут
образовываться трещины при непроваре корня шва вдоль плоскости основного
Таблица 1.1 – Основные размеры сварного шва.
Sмм bminмм bmaxмм lмм hмм
Материал изделия – сталь 09ГС микроструктура которой представляет
собой зёрна с мелким размером около 15 мкм.7
Акустические характеристики материала изделия приведены в таблице 1.2.
Материал Плотность[piСкорость звука мс Волновое
кг[pic]X Па(см X [pic]
продольных поперечных
Сталь 09ГС 78 5940 3250 463
Рисунок 1.1 – Эскиз заданного изделия
Рисунок 1.2 – Эскиз сварного шва.
График зависимости коэффициента затухания от частоты изображен на
Статистика показывает что в крупноразмерных швах могут
образовываться от 65 до 70( шлаковых включений 10% пор и от 20 до 25 %
плоскостных дефектов (из них трещин 5 – 7 %). Наиболее опасные дефекты:
трещины – ориентированные преимущественно в центре шва. Такие дефекты
расположенные в сечении шва плохо выявляются при контроле одним
Для данного изделия наиболее характерными и опасными дефектами
являются трещины поры непровары. Минимально выявляемые размеры дефектов
Для пор и трещин bmin=2(10-3 bmax=5(10-3 м. Внешний вид и
расположение дефектов изображены на рисунке 1.3.
а – несплавления; б – трещины; в – поры; г – непровар;
Рисунок 1.3 – Основные виды дефектов
Сравнительный анализ известных методик УЗ – контроля сварных швов.
УЗ – контроль сварных швов производится в соответствии с
ГОСТ 14782 – 68 и другими документами регламентирующими методику контроля
и критерии оценки качества швов по его результатам.
Технология контроля сварных соединений имеет ряд особенностей
связанных как с конструкцией и формой контролируемых изделий так и его
специфическими дефектами подлежащими обнаружению
УЗ – дефектоскопией 2.
Основные стадии технологического процесса УЗ – контроля:
) подготовка к контролю;
) измерение дефектов (их размеров формы расположения);
) оценка качества контролируемого изделия.
Ультразвуковой контроль обеспечивает выявление почти всех дефектов
дуговой сварки кроме случаев сильно сжатого непровара.
Сварные стыковые соединения обычно контролируют эхо – методом наклонным
преобразователем с двух сторон шва и по одной поверхности стыка. Применяют
прямой и однократно отражённый лучи рисунок 2.1
Эхо-импульсный метод основан на отражении УЗ колебаний от
несплошностей (отражателя) причем амплитуда эхо-сигнала пропорциональна
площади этого отражателя. Чувствительность эхо-метода высокая: она
достигает 05 мм2 на глубине 100 мм. К преимуществам этого метода следует
также отнести возможность одностороннего доступа. Недостатки – это
сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды
отраженного сигнала от ориентации дефекта.
Таким образом этот метод можно применить для контроля заданного
объекта так как он имеет высокую чувствительность и не требует
двустороннего доступа что облегчает задачу автоматизации и упрощает схему
а – прямым лучом; б – однократно отраженным лучом.
Рисунок 2.1 – Схемы контроля стыковых соединений.
При контроле сварных стыковых соединений плоских элементов со
стыковым швом с V – образной разделкой кромок возможно применением
следующих схем рисунок –2.2.
Контроль начинают с поиска непровара в корне шва прямым или однократно
отраженным лучом. При отсутствии непровара контролируется остальная часть
шва: нижняя прямым лучом верхняя однократно отраженным.
Рисунок 2.2 – Схемы контроля сварных стыковых соединений
Шов можно контролировать слева и справа. Таким образом ультразвуковые
лучи проходят через шов в четырех направлениях. Это повышает вероятность
выявления различно ориентированных дефектов. С этой же целью
преобразователь непрерывно разворачивают влево и вправо на угол φ=10 15º.
Обычный источник помех при контроле сварных соединений ложные сигналы
от превышения проплавления и верхнего валика. Дополнительно отметим что
различают несколько причин возникновения ложных сигналов от превышения
проплавления отстройку от которых ведут разными приемами. Возможно прямое
отражение от превышения лучей как от вогнутой цилиндрической поверхности.
Эхо-сигнал уменьшают увеличивая угол ввода. Второй источник помех —
дифракционное рассеяние в местах сопряжения превышения проплавления шва с
основным металлом (ребра P и Q на рисунок 2.2 а). От них отстраиваются так
же увеличивая угол ввода и применяя амплитудную дискриминацию. Дифракция
порождает поверхностные волны распространяющиеся вдоль превышения и
многократно отражающиеся от ребра. Эти ложные сигналы уменьшают применяя
раздельно совмещенный преобразователь с углом разворота 36º (угол между
осями излучателя и приемника 72º). При этом поверхностные волны почти не
попадают на приемник.
Превышение проплавления отсутствует когда проплавление корня шва
делают неполным (рисунок 2.2 в) или применяют подкладные кольца (рисунок
2 г). Однако от конца неполного проплавления M или от шлакового
включения которое обычно возникает в этом месте а также вблизи
подкладного кольца (N F) все же возникают ложные сигналы. Основные способы
отстройки от них — временное стробирование и амплитудная дискриминация.
Обоснование их состоит в следующем. При контроле тонких сварных швов (10 мм
и менее) возникает трудность с контролем корня шва прямым лучом. 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 даже уменьшив
размер пьезоэлементам. При контроле толстых сварных швов (200 мм и более)
чувствительность дефектоскопа может оказаться недостаточной поэтому
применяют пониженные частоты преобразователи с пьезопластинами большого
диаметра уменьшают угол ввода контроль шва выполняют только прямым лучом.
При контроле толстых сварных швов применяют продольно – поперечное
сканирование (показано на рисунке 2.2 б) при котором преобразователь
перемещают вдоль шва. С увеличением расстояния ширина раскрытия пучка лучей
увеличивается. Это позволяет увеличивать расстояние между линиями
сканирования и тем самым повысить производительность контроля. Для контроля
всего объёма сварного шва необходимо осуществлять прозвучивание несколькими
преобразователями одновременно либо путем их сканирования. При построчном
сканировании металл шва контролируют по слоям.
Сварные соединения толщиной 10 — 30 мм. При контроле швов выполненных
односторонней сваркой эхо-сигналы от провисания металла в корне шва мешают
расшифровке сигналов на экране дефектоскопа. Если при сварке провисания шва
не образуются или они очень малы то контроль производится одним
преобразователем прямым и однажды отраженным лучом за один прием. Для
соединений толщиной 10 — 15 мм наиболее эффективно применение стандартного
преобразователя с = 50 — 53 на частоту 5 МГц. Для соединений толщиной
— 30 мм следует применять преобразователь с = 50 на частоту 25 МГц.
Если же ложные сигналы от провисаний велики то с целью повышения
надежности и помехоустойчивости контроль целесообразно проводить раздельно
в корневой и остальной части шва. При этом верхнюю часть шва
предпочтительнее контролировать однократно отраженным лучом
преобразователем с = 40. Нередко при односторонней сварке листовых
конструкций образуются провисания значительной величины (3 — 5 мм). Их
необходимо удалить шлифовальной машинкой. Если этого не сделать контроль
нижней части швов будет невозможен или сильно затруднен.
Прозвучивание осуществляют вдоль или поперек сварного соединения. Если
преобразователю сообщают одновременно движение двух взаимно
перпендикулярных направлениях то его суммарное перемещение происходит под
углом к продольной оси шва.
В механизированных установках применяют три способа поиска дефектов:
а) если неизвестно распределение дефектов в сварном соединении
производят равномерное прозвучивание металла шва;
б) когда имеют предварительные сведения о распределении дефектов
более тщательно прозвучивают места их нахождения – неравномерный поиск;
в) используется текущая информация о дефектах при помощи ЭВМ.
На рисунке 2.3 изображены основные схемы построчного сканирования.
а – продольное сканирование б – поперечное сканирование
в – сканирование под углом к продольной оси шва.
Рисунок 2.3 – Схемы сканирования сварного стыкового шва
Для сканирования плоских изделий предложено устройство описанное в
Устройство содержит два барабана установленных на основании привод
вращение барабанов взаимодействующих с ним гибкий бесконечный трос и
соединённый с ним ультразвуковой преобразователь. С целью повышения
производительности контроля и уменьшением трудоёмкости при установке и
снятии с контролируемого изделия оно снабжено жестко закреплённой между
собой длинной и короткой направляющей жестко закрепленной с приводом
Для продольно – поперечного сканирования можно использовать
устройство описанное в 6.
Внешний вид установки изображен на рисунке 2.4
Рисунок 2.4 – Внешний вид установки для продольно – поперечного
Устройство содержит направляющую 1 каретку 2 и шток 3 подвижно
установленный на каретку 2 а также механизм 4 прижима и установленный на
нем преобразователь 5. Механизм прижима 4 выполненный например в виде
магнитного прижима закреплен на штоке 3.
Кроме того устройство содержит установленную с возможностью вращения
на каретке 2 ось 6 жестко установленные на ней программный диск 7 и
зубчатое колесо 8 а также упоры 9 установленные на направляющей 1 и
взаимодействующие в ходе контроля с программным диском 7. Программный диск
выполнен в виде радиальных лепестков. Каждый лепесток диска 7 начиная со
второго сдвинут относительно предыдущего на угол α.
На основе предыдущего пункта выбираем эхо – 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.
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 объект с отражателем в форме диска. Расчетная схема
реального акустического тракта с плоским отражателем представлена на
рисунке 4.1. Это частный случай акустического тракта так как для
совещенной схемы контроля приемник и излучатель совмещены.
Зондирующий сигнал с начальной амплитудой давления Р0 дойдя до
дефекта имеет амплитуду
где к11 – коэффициент ослабления в поле излучателя.
Сигнал падающий на дефект с амплитудой Pb создает вторичное поле
ослабляющееся на пути до приемника по законам рассеяния. Дефект в этом
случае играет роль независимого излучателя возбуждающего новый зондирующий
сигнал. На приемник приходит акустический сигнал с амплитудой:
где кb – коэффициент учитывающий ослабление амплитуды сигнала в поле
рассеяния дефекта к2 – коэффициент учитывающий ослабление амплитуды
сигнала в поле приемника.
Рисунок 3.1 – схема акустического тракта совмещенного преобразователя
Таким образом совместив полученные выражения (3.1) и (3.2) получим
выражение зависимости амплитуды акустического давления на приемнике от
амплитуды акустического давления зондирующего сигнала:
где к – коэффициент общего ослабления на пути
излучательдефектприемник.
Задачей расчета является вычисление коэффициента к=РР0 амплитуды
падающей волны. Считая влияние отдельных факторов на амплитуду сигнала
независимым а дефект достаточно большим согласно приближению Кирхгофа
запишем в общем виде выражения для коэффициентов ослабления сигнала в
акустическом тракте:
где D R - функциональные коэффициенты прохождения и отражения на
границе раздела сред; Q – функция описывающая ослабление УЗ – колебаний на
оси УЗ поля; Ф – функция (диаграмма) направленности УЗ – поля; ( – функция
описывающая затухание УЗ колебаний.
Рисунок 3.2 – схемы обнаружения трещин (а) непроваров (б) и пор (в)
Проанализируем уравнение акустического тракта со следующими основными
документами: в задержке преобразователей распространяются только продольные
волны; при отражении от дефекта рассматривается волна того же типа что и
падающая; линейные размеры дефекта больше длины падающей на него волны;
дефект располагается в дальней зоне преобразователей а преобразователи – в
дальней зоне отраженного поля.
где S – площадь мнимой пьезопластины;
– угол наклона призмы.
λ – длина волны ультразвука;
Диаграмма направленности поля излучателя (приемника) определяется
где 2·а’ – диаметр мнимой пьезопластины;
R – волновое число [p
I1 – функция Бесселя первого порядка.
Введем для сокращения записи и упрощения численных расчетов Лямбда –
Функциональные коэффициенты прозрачности D1 и D2 на границе раздела
сред можно заменить – коэффициентом прозрачности по энергии
Ослабление QB эхо – сигнала можно рассматривать с учетом определения
эффективного поперечного рассеяния
[pic] = 4··(r n·в) 2·QB 2 (3.11)
Значения nB и 0 для моделей дефектов в дальней зоне приведены в
Таблица 4 .1 – Характеристики поля рассеяния
Дефект Модель дефекта nB 0
трещина диск 1.0 Sbλ
непровар полоса 0.5 [pic]
Площадь эквивалентного апертуры дискообразного отражателя
SB ’ = SB· cos B = SB· cos (α – φB) (3.13)
где SB – действительная площадь отражателя.
Для прямоугольного двугранного уголка при падении луча на одну из
где SB – площадь грани.
Таким образом QB для различных моделей дефектов равно:
– для двугранного уголка
Диаграмма направленности поля отражателя в виде диска записывается так
Поле излучения отражателей в форме сферы и двугранного уголка можно
представить полем точечного источника поэтому Фв = 1.
Коэффициент отражения для диска
Rв = R(α – φв) (3.19)
- для двугранного уголка
Rв = R(в)·R(90– в) (3.20)
Rв = R(0) = 1. (3.21)
Функция затухания является экспонентой с отрицательным показателем
вида r0 где – коэффициент затухания; r0 – длина пути. Для схемы
изображенной на рисунке 4.1 получим
= ехр( – ·r3 – ·r) (3.23)
где 3 – коэффициент затухания в материале задержки излучателя;
– коэффициент затухания в материале изделия.4
Теоретический расчет акустического тракта сводится к подстановке
полученных выражений в выражения (3.3 –3.6). При совмещенной схеме контроля
наклонным преобразователем изделия получим:
– для дискообразного дефекта
– для двугранного угла
Расчет пьезопреобразователя начнем с нахождения рабочей частоты.2
Оптимальное значение рабочей частоты можно определить решая задачу
достижения максимальной предельной чувствительности на основе анализа
формул акустического тракта
Запишем формулу акустического тракта для плоского отражателя при
контроле наклонным преобразователем:
где: rА – путь ультразвука в призме
r – путь луча в изделии.
Для простоты расчетов предположим что диск расположен нормально по
отношению к оси преобразователя (В = 0 = 0 φВ = α α = α0). Согласно
рекомендациям предложенным в для сварных деталей толщиной 16 мм
эффективно применение преобразователя с углом наклона призмы 0 = 50. В
качестве материала призмы выберем органическое стекло (если рабочая частота
будет находиться в пределах 15 – 5 МГц).
Характеристики материала призмы cведем в таблицу 5.1
Таблица 5.1 – Параметры органического стекла
Плотность Скорость Скорость Скорость Коэффициент
ρ [pic] продольной поперечной поверхностной затухания
волны Сl [pic]волны Сt волны Сs [pic] м-1
80 2670 1120 1050 [pic]
Определим угол ввода в объект контроля ( рисунок 4.1)
Рисунок 4.1 – Схема контроля сварного шва
Максимальное расстояние до дефекта в объекте контроля равно:
В выражении (4.1) частототно зависимыми являются величины λ и . Сталь
ГС является мелкозернистой (α > 10D) и коэффициент затухания определяется
С учетом (4.2) и (4.3) выражение (4.1) примет вид:
Дифференцируем полученное выражение относительно f и приравниваем его к
нулю для нахождения максимума.
Примем путь луча в призме r30 =15·10-3 м а r = rmax = 94·10-3 м. Тогда
решая уравнение (4.5) численным методом получим fopt = 34 МГц. Выберем
рабочую частоту из чисел ряда регламентированного ГОСТ fр = 2.5 МГц.
При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов
следует учитывать условие которое определяется следующим выражением:
λ = Ct2 fр 2·Bmin (4.6)
λ = 3250 25·106 = 13·10-3 2·Bmin = 40·10-3 (м)
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 характеризующейся неравномерностью
чувствительности по глубине и сечению пучка и следовательно пониженной
вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того увеличение размеров
пьезоэлемента влечет за собой увеличение площади контактной поверхности
что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В тоже
время пьезоэлемент малых размеров не обеспечивая требуемой мощности
излучения обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной
точностью определения координат дефектов вследствие широкой диаграммы
Согласно 2 при пересчете на поперечные волны оптимальные размеры
пьезопластин составляют а·f = 12 15 мм·МГц. Для fr = 25 МГц а = 46 8 мм.
Выберем а = 6 мм (радиус пьезопластины). Для её изготовления используем
пьезокерамику цирконат-титанат свинца ЦТС-19. Основные характеристики ЦТС –
приведены в таблице 4.2
Таблица 4.2 – Характеристики ЦТС – 19
Скорость звука Плотность кгм3 ХарактеристическийДопустимая
ClCt импеданс температура (С
003300 7000 23·106 Св.290
Толщина пластины hп выбирается полуволновой для рабочей частоты fр на
которой ведется контроль
Примем толщину пластины 06 мм.
При конструировании призмы необходимо проверять отсутствие продольной и
поверхностной волны в объекте контроля. Условие отсутствия продольной
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
Проверим отсутствие поверхностной волны :
Таким образом продольная и поверхностная волна в объекте контроля
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 условии:
Рисунок 4.2 – Расчетная схема преобразователя
Путь центрального луча в призме определяется из условия:
Акустическое поле преобразователя с линией задержки можно приближенно
оценить введением мнимого пьезоэлемента. Расстояние вдоль акустической оси
от точки ввода до мнимого пьезоэлемента вычисляется по формуле:
Далее определим параметры ближней зоны и дальней зоны преобразователя
Угол раскрытия основного лепестка
Радиус мнимой пьезопластины вычислим по формуле:
При расчете призмы необходимо учитывать что сигнал в призме не должен
ослабляться более чем на 10 дБ (в относительных единицах 316). Ослабление в
призме вдоль акустической оси определяется формулой:
По графикам приведенным в 3 для границы задержка – изделие (оргстекло
– сталь) примем коэффициент прохождения по энергии (500) = 015.
Таким образом путь центрального луча в призме должен быть менее 37 мм.
Материал демпфера выбираем из 2. Это эпоксидная смола ЭД – 6 с
наполнителем PbO (50%). На частоте 25 МГц он имеет коэффициент затухания
Д = 2810 дБм. Толщина демпфера должна обеспечивать уменьшение амплитуды
ультразвуковых колебаний не менее чем на 60 дБ вследствие затухания.
где: – коэффициент затухания в демпфере;
hд ≥ 60 2810 = 0021 (м).
Толщина демпфера равняется такой толщине что при двукратном
прохождении ультразвука через демпфер амплитуда УЗ – колебаний уменьшалась
Для защиты пьезопластины от стирания и повреждения к ней с рабочей
стороны приклеивают или припаивают протектор. Помимо высокой
износостойкости протектор должен обеспечивать наилучшее прохождение
ультразвука через границу пьезоэлемент-контролируемое изделие и высокую
стабильность акустического контакта [3]. С целью обеспечения этого условия
толщину протектора примем равной
В качестве материала протектора выберем полиуретан. Он обладает
большим коэффициентом поглощения ультразвука что обеспечивает хорошее
гашение многократных отражений. Он может легко деформироваться и в
определенной мере облегать неровности поверхности изделия что также
благоприятствует стабильности акустического контакта. Толщину протектора
примем равной 05 мм.
Таким образом преобразователь состоит из следующих составных
элементов: пьезопластины демпфера призмы корпуса и протектора.
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.
Кроме того материал призмы должен обладать износостойкостью а в ряде
случаев и термостабильностью.
Далее пьезопластина заливается эпоксидной смолой с наполнителем –
демпфер. 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 избежании её
располяризации. Для соединения пьезопластины с разъёмом применяется
коаксиальный кабель с минимальной ёмкостью. Пьезопластину приклеивают к
призме с помощью клея (ГОСТ 901 – 78).
На корпус преобразователя затем наносится риска определяющая стрелу
преобразователя и маркировочные значки.
Конструкция наклонного преобразователя представлена на чертеже
Выбор рабочей частоты ультразвуковых колебаний определяется в основном
коэффициентом затухания и уровнем структурных помех материала объекта а
также его габаритами.
Увеличение частоты способствует повышению разрешающей способности
уменьшению мертвой зоны снижению величины минимально выявляемого дефекта
повышению точности измерения расстояний. С другой стороны это приводит к
возрастанию затухания и уменьшению толщины пьезопластины. Кроме того
ухудшаются условия прохождения волн через поверхность ввода и
увеличивается интенсивность отражения от границы зерен металла. То есть
можно оценить и выбрать оптимальную частоту которая обеспечит наибольшую
чувствительность контроля при минимальных потерях ультразвука. Графики
зависимости отношения РР0 от частоты смотри приложение А
Из формулы (4.2) мы нашли fопт = 32 МГц для наклонного
Выбор рабочей частоты пьезопреобразователя производится из чисел ряда
регламентированного ГОСТ: fр = 2.5 МГц.
Контроль сварных швов в РБ производятся в соответствии с
дуговой 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 расслоений).
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
оси распространения волны. Расчет угла ввода был произведен в пункте 4.
Контроль производится наклонным преобразователем. Из этого следует
что контроль производится сдвиговыми волнами.
В зависимости от толщины слоя контактной смазки hсм в акустическом
контроле различают три способ ввода ультразвуковых колебаний (акустического
- контактный (hсм ();
- щелевой (hсм ( ();
- иммерсионный (hсм >> ().
Автоматизированный контроль изделий часто производят контактным
способом. Шероховатость нашего объекта контроля:Rz=40 Она приемлема для
обеспечения контактного способа ввода ультразвуковых колебаний через слой
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.
Выберем в качестве контактной жидкости машинное масло.
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 галтейные переходы переходы
от выпуклости сварного шва к основному металлу брызги металла сварочный
флюс. Качество подготавливаемой поверхности оценивают по параметрам
шероховатости (ГОСТ 2789 – 73). Оптимальной считается поверхность с
шероховатостью Rz = 20 40 мкм.4
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.1
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.
Тогда схема прозвучивания стыкового шва имеет вид (см. рисунок 5.4.1)
Рисунок 5.4.1 – схема прозвучивания стыкового сварного шва прямым
Исходными данными для расчета а = 4 мм в = 2 мм h = 16мм r’ = 6 мм.
Угол определяется раскрытием основного лепестка на уровне 06 (3 дБ).
к = Н·tg(α-) = (h + d)·tg(α-) = (h + r’·cos α)·tg(α-)
Тогда подставим (5.3 – 5.5) в (5.2) получим
Аналогично построим схему прозвучивания однократным отраженным лучом
Рисунок 5.4.2 – Схема прозвучивания стыкового сварного шва однократно
Полные схемы прозвучивания сварных швов изображены на чертеже.
Рисунок 5.4.3 – Схема сканирования стыкового шва.
Для сканирования сварного стыкового шва используем поперечно –
продольную схему перемещения пьезопреобразователя (рисунок 5.4.3).
Сканирование продольного шва будем проводить с двух сторон при
одностороннем доступе. Скорость сканирования примем [pic]
На основе анализа акустического тракта можно показать предполагаемые
осциллограммы они приведены на рисунке 5.5.2.
Для отстройки от помех и упрощения техники контроля определим зоны
где: r – расстояние до границы зоны;
С – скорость волн в материале изделия.
Рассчитаем зону стробирования для наклонного преобразователя.
где: r1 – расстояние АА1 (рисунок 5.5.1);
Ссдв – скорость сдвиговых волн.
где: n = 15 мм – стрела преобразователя;
а – полуразмер пьезопластины.
где r2 = 16 мм – максимальная глубина залегания дефекта;
Расшифровка результатов будет производиться на основании полученных
результатов контроля. Глубина залегания определяется исходя из времени
прохождения зондирующего импульса от поверхности ввода и обратно.
Эквивалентный размер определяется на основании результатов измерения
амплитуды эхо – сигнала расстояния до дефекта и его ориентации
относительно акустической оси пьезоэлемента.
Прозвучивание одновременно шва с двух противоположных сторон наклонными
искателями позволяет определить на основании результатов сканирования
ориентацию дефекта в объеме.
зона стробирования зона стробирования
а) дефекта нет; б) дефект в зоне стробирования; в) дефект за
зоной стробирования.
Рисунок 5.4 – Сигналограммы для различных случаев расположения дефекта
Осциллограмма изображенная на рисунке 5.4 а) имеет место тогда когда
ультразвуковой пучок на своем пути в объекте контроля не встретил дефекта.
В случае если на пути распространения УЗ пучка находится дефект то
возможны два варианта:
- сигнал в зоне стробирования (рисунок 5.4 б);
- сигнал вне зоны стробирования (рисунок 5.4 в).
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.
В нашей стране для текущей проверки наиболее важных параметров и
характеристик приборов ГОСТ 14782-86 предусмотрен комплект из четырех
стандартных образцов (СО) [2].
В данном случае для настройки и проверки характеристик прибора удобно
применить стандартный образец СО-2А. В отличии от образца СО-2 который
выполнен из стали 3 по ГОСТ 14637-69. Для заданного изделия образец будет
представлять собой плиту выполненную из стали размерами 210(59(30 мм и
накладку (рисунок 5.6.1) которую укрепляют четырьмя винтами.
[pic] ( 0 20 40 50 60
Рисунок 5.6.1 – 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 титановой 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
Данное устройство предназначено для автоматизированного сканирования
стыкового сварного шва.
Всю систему приводит в движение электродвигатель через зубчатую пару
на ведомый вал. Зубчатое колесо закреплено на валу при помощи шплинта.
Вращательное движение вала по средствам винтовой передачи преобразуется в
поступательное движение искательной головки. Для обеспечения перемещения
последней в одной плоскости применяются две направляющие представляющие
собой оси. Каркас устройства состоит из пластин прямоугольной формы с
отверстиями для крепления и посадочными местами для подшипников валов и
осей. Пластины закреплены между собой при помощи уголков. Для расположения
устройства относительно объекта контроля используются две металлические
пластины закрепленные на боковых стенках по средствам болтов. Для
обеспечения хорошего контакта между ПЭП и поверхностью контроля
используются прижимные пружины. Изменение точки ввода УЗ – волн
производится вручную.
На основе расчетных данных мы знаем что максимальное ослабление
сигнала при проведении контроля наклонным преобразователем равно 68 дБ.
В качестве дефектоскопа выберем прибор УД2 – 12 со следующими
техническими характеристиками:
– абсолютная чувствительность дефектоскопа dB не менее – 100;
– глубина регулирования амплитуды импульса dB не менее – 16;
–отклонение максимальной чувствительности приемника на максимальных
частотах dB не менее – ± 2;
– номинальные рабочие частоты МГц : 125; 18; 25; 50; 10.
Чувствительность определяется по ослаблению зондирующего сигнала.
Расчет ослабления сигнала для различных видов отражателей был произведен
при теоретическом анализе акустического тракта.
Графики чувствительности для наклонного преобразователя изображены на
чертеже. На этих графиках представлена зависимость ослабления сигнала от
размера дефекта и глубины его залегания.
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
Время на перемещение преобразователя на другой уровень:
Время для установки устройства сканирования на объект контроля:
Время затрачиваемое при перемещении преобразователя по объекту
где: V—скорость сканирования;
l – длина перемещения.
где lок – длина объекта контроля.
t4=02·1031200 = 6 сек.
Время на расшифровку результатов:
Данные по затратам времени приведённые для контроля половины одного
сварного соединения.
Время на поворот объекта контроля:
Окончательное время которое необходимо затратить на контроль изделия:
t = 2·(t1 + t2 + t3 + 2·t4 + t5) + t6
t = 2·(40 + 20 + 60 +(2· 6) + 15) + 20 = 434 сек.
В расчетах не учитывается время на зачистку поверхности снятие
контактной жидкости и настройку дефектоскопа.
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.
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.
Методы акустического контроля металлов Под ред. Н. П. Алешина. –
М.: Маш. 1989. – 456 с.
Сергеев С. С. Методические указания для студентов специальности Т
01 – Приборостроение 1998. – 18 с.
А.с. 1182383 СССР МКИ G01N 2904 Устройство для ультразвукового
контроля сварных швов продольно – поперечным сканированием А. А.
Марков Ю. А. Корольков А. К. Гурвич В.А. (СССР).-№367369225 – 28.
Заявлено 09.12.83. Опубл. 30.09.85. Бюл. №36 – 4 с.:ил.
Металловедение : Учебник для техникумов. Самохоцкий А. Н. Кунявский
М. Н. Кунявская Т. М. Парфеновская Н. Г. Быстрова Н. А. – М.:
Металлургия 1990. – 416 с.
Рисунок 5.4 – График зависимости отношения РР0 от частоты для
Рисунок 5.4 – График затухания УЗ – колебаний в материале изделия
Рисунок А.1 – Диаграмма направленности в декартовых координатах
Рисунок А.2 – Диаграмма направленности в полярных координатах
Рисунок 7.1 – График чувствительности для модели дефекта типа диска
Рисунок 7.1 – График чувствительности для модели дефекта типа сфера

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

Спецификация УстрУЗК.spw

Устройство для УЗ контроля
Белорусско - Российский
университет гр. МПКЗ - 061
Блок преобразователя прямого
Преобразователь прямой
Винт М4 х 6 ГОСТ 17475-80
Винт М6 х 8 ГОСТ 11075-93
Гайка М8 ГОСТ 10657-80
Резцедержатель четырехпозиционный
модели УГ 0101.600.000.000

СПЦ ручное 01еу.dwg

Белорусско Российский университет гр.ПСЗ 021
Устройство сканирующееnручное. nСборочный чертеж.

еу2.frw

!!!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

1 Объект контроля со схемми сканирования A2.cdw

схемами сканирования
Белорусско-Российский
Схема сканирования объекта контроля
схема прозвучивания прямым преобразователем

4 Блок преобразователей А1.cdw

Блок преобразователя прямого
Белорусско-Российский
университет гр.МПК3-061
* - размеры для справок

ЭМК - часть 1 исходный.cdw

Кривая намагничивания материала
Зависимость магнитной проницаемости
от индукции в контролируемом сечении
Определение оптимального
(расчётное значение).
(экспериментальное значение).

Записка.doc

Характеристика объекта контроля 6
Обоснование выбора метода контроля 7
Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля 9
Анализ литературных источников с целью разработки или модернизации
оборудования для контроля 16
Компоновка расчёт и разработка оборудования для контроля 18
Определение оптимального режима намагничивания при магнитографическом
контроле ферромагнитных изделий. 18
Расчёт устройства для намагничивания изделий в процессе магнитного
Описание устройства для контроля и принципа его действия 24
Разработка методики контроля 25
Выбор типа магнитной ленты для магнитографического контроля изделия 26
Разработка метрологического обеспечения средств контроля 27
Мероприятия по охране труда 28
Список литературы 30
Повышение уровня надежности и увеличение ресурса машин и других
объектов техники возможно только при условии выпуска продукции высокого
качества во всех отраслях машиностроения. Это требует непрерывного
совершенствования технологии производства и методов контроля качества. В
ряде случаев выборочный контроль исходного металла заготовок
полуфабрикатов и готовых изделий ответственного назначения на заводах не
гарантирует их высокое качество особенно при серийном и массовом
изготовлении. В настоящее время все более широкое распространение получает
стократный неразрушающий контроль продукции на отдельных этапах
производства. Для обеспечения высокой эксплуатационной надежности машин и
механизмов большое значение имеет также периодический контроль их состояния
без демонтажа или с ограниченной разборкой производимый при обслуживании в
эксплуатации или ремонте.
В современных условиях стремительного научно-технического прогресса
роль неразрушающего контроля значительно возросла. Без этого
высокоэффективного и производительного контроля невозможно например
развитие космической авиационной и атомной техники и современной
энергетики а также обеспечение безопасности движения на транспорте.
В данной курсовой работе необходимо разработать устройство и методику
контроля продольных сварных швов труб диаметром 1420 мм в заводских
Исходными данными являются:
Диаметр трубы – 1420 мм;
Толщина стенки – 16 мм;
Материал – сталь 10;
Недопустимые дефекты сплошности: протяженные – свыше 10% от толщины
локальные – более 25%. Сварные швы выполнены автоматической сваркой под
флюсом согласно ГОСТ 8713-76.
Характеристика объекта контроля
Объектом контроля является труба диаметром – 1420 мм с толщиной стенки
– 16 мм. Данные трубы изготавливаются из стали 10. Основные виды дефектов
которые нас интересуют будут располагаться в местах сварных соединений и
будут представлять собой поры различные включения непровары дефекты
сплошности. Тип дефектов: протяженные и локальные. Причем протяженные
считаются недопустимыми дефектами если они составляют более 10% от толщины
стенки трубы а локальные – более 25%. Сварной шов выполнен автоматической
сваркой под флюсом согласно ГОСТ 8713-76.
Обоснование выбора метода контроля
В настоящее время широко известно несколько методов магнитного вида
– магнитопорошковый;
– магнитографический;
Индукционный метод требует высокой скорости перемещения
преобразователя при контроле с приложенным полем. Этот метод можно
использовать на грубых поверхностях при этом минимальная глубина
выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатости
Магнитопорошковый метод имеет ряд недостатков: низкая
производительность низкая чувствительность для дефектов находящихся на
большой глубине стекание магнитной суспензии с объекта контроля. Метод
является индикаторным а потому не позволяет даже приближенно оценить
Магнитографический метод контроля обладает особой чувствительностью
при выявлении протяженных поверхностных и подповерхностных дефектов объекта
контроля безопасен для обслуживающего персонала и позволяет многократно
использовать магнитные ленты. Обладает высокой производительностью и не
требует предварительной зачистки поверхности объекта контроля.
Важнейшим недостатком магнитографического метода является возможность
фиксации ложных сигналов при наличии грубой чешуйчатости и других
неровностей поверхностей сварного шва. Поэтому на современном уровне
наиболее эффективные результаты магнитографический метод дает при
использовании его для контроля сварных соединений выполненных
автоматической сваркой под флюсом и другими механизированными методами
сварки плавлением в изделиях толщиной до 25 мм (ГОСТ 25225-82).
Феррозондовый метод контроля позволяет в изделиях из магнитномягких
материалов выявлять поверхностные дефекты внутренние дефекты на глубине до
мм а более крупные дефекты на глубине до 15 мм. Для обеспечения высокой
чувствительности и достоверности феррозондового метода поверхность
контролируемых изделий должна иметь хорошую чистоту обработки. Кроме того
на результаты контроля могут влиять структурные неоднородности материала
Таким образом проанализировав существующие методы контроля и
основываясь на том что выбранный метод должен обеспечивать высокую
чувствительность достоверность контроля производительность удобство в
эксплуатации и наглядность приходим к выводу что наиболее приемлемым
методом контроля продольных швов труб является магнитографический так как
он обладает высокой чувствительностью производительстью позволяет судить
о размерах обнаруженных дефектов позволяет отстроиться от ложных сигналов
обусловленных поверхностными неровностями структурными неоднородностями и
позволяет многократно использовать магнитные ленты.
Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля
В сварных соединениях изделий из низкоуглеродистых и ряда
низколегированных сталей дефекты сплошности (непровары подрезы цепочки
пор) ориентированы вдоль продольной оси шва. При магнитографическом
контроле рекомендуют такие соединения намагничивать в поперечном
направлении т.к. вектор напряженности внешнего поля в этом случае будет
ориентирован перпендикулярно направлению распространения дефектов и их
выявляемость поэтому будет наилучшей 3.
При намагничивании сварного соединения в поперечном направлении
выпуклость шва создает значительную неоднородность поля в зоне контроля.
Объясняется это тем что на его выступающей поверхности образуются
магнитные полюсы которые создают в шве и его окрестностях поле
направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина В и больше высота С
валика шва тем слабее намагничен шов. Особенно малая индукция в плоскости
симметрии шва. Поэтому выявляемость дефектов расположенных в указанном
сечении шва наихудшая. Расчетным и экспериментальным путем было показано
что при неизменном значении напряженности намагничивающего поля одинаковым
значениям обобщенного параметра шва (=ВС всегда соответствуют одинаковые
значения напряженности поля в плоскости симметрии шва. Это значит что
предварительный режим намагничивания при магнитографическом контроле
необходимо устанавливать в зависимости от ( 6.
Чувствительность магнитографического контроля сварных соединений
зависит не только от величины поля дефекта но и от его градиента. При этом
влияние размеров валика шва на чувствительность метода наиболее точно можно
учесть с помощью обобщенного параметра R0=B28C - радиуса кривизны валика
шва в плоскости его симметрии. Чем меньше R( тем ниже чувствительность
контроля сварных соединений 7.
На магнитную ленту в процессе магнитографического контроля сварных
соединений (при поперечном намагничивании) записывается в основном
суперпозиция магнитных полей следующих видов: тангенциальные составляющие
внешнего намагничивающего поля H(о поля изделия (без валика шва) Н(и поля
валика шва Н( и поля дефекта Н(d. Полями обусловленными термическими
неоднородностям неоднородностями химического состава и чешуйчатостью при
контроле сварных соединений изделий из низкоуглеродистых и
низколегированных сталей выполненных автоматической сваркой под флюсом
можно пренебречь. Тангенциальная составляющая поля дефекта с увеличением
глубины его залегания претерпевает не только количественное но и
качественное изменение. Начиная с некоторой глубины залегания дефекта H(d
из колоколообразной трансформируется в двугорбую максимумы которой
смещаются к краям валика шва. Это обуславливает появление в шве областей
качественно разной выявляемости дефектов 6.
Повышение чувствительности метода обусловлено увеличением индукции в
контролируемых сечениях шва вследствие более высокой напряженности поля в
зоне контроля создаваемого концентраторами магнитной индукции.
Указанные недостатки во многом устраняются а чувствительность
контроля сварных швов значительно повышается если концентраторы магнитной
индукции расположить на высоте С+( от поверхности контролируемого изделия
на расстоянии друг от друга равном ширине шва где С - высота валика шва
( ( (4мм 910. При этом вследствие того что на валик шва воздействует
неоднородное дополнительное подмагничивающее поле (у середины шва сильнее
чем у краев) шов в поперечном направлении оказывается намагниченным более
равномерно. Это приводит к повышению достоверности метода.
С уменьшением расстояния между концентраторами магнитной индукции
создаваемая ими напряженность поля вначале возрастает достигая
максимального значения при l=4..5 мм а затем убывает. При описанном выше
способе магнитографического контроля максимальное значение напряженности
намагничивающего поля ограничивается шириной шва: если расстояние между
рабочими гранями концентраторов магнитной индукции будет меньше чем ширина
шва то на сигналограмме будут наблюдаться помехи величина которых может
превосходить сигналы от недопустимых дефектов. В 8 предложено
расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции в
намагничивающем устройстве установить 6 - 8 мм а при контроле судить
только о качестве участка шва находящегося в плоскости симметрии валика и
его окрестностях ((2мм) т.к. по статистическим данным около 90 % дефектов
сплошности располагается в плоскости симметрии шва. О качестве остального
шва можно судить и по результатам традиционного способа магнитографического
контроля : шов у краев намагничен обычно достаточно для уверенного
обнаружения дефектов.
Описанные выше способы магнитографического контроля предназначены для
обнаружения протяженных дефектов в шве (непроваров подрезов цепочек пор).
Чувствительность метода при этом максимальна т.к. вектор напряженности
намагничивающего поля перпендикулярен направлению распространения дефекта.
Локальные дефекты (одиночные поры шлаковые включения) не имеют такой
преимущественной ориентации: в плоскости изделия они имеют округлую форму.
Чувствительность контроля реальных сварных швов на наличие таких дефектов
составляет 80 ( 100 %.
Повысить чувствительность контроля швов на наличие пор и шлаковых
включений можно если шов намагнитить под углом к его продольной оси 10.
При этом вследствие снижения размагничивающего фактора сварной шов
окажется намагниченным значительно сильнее. Максимальная амплитуда сигнала
обусловленного дефектом будет иметь место если ленту считывать вдоль
линии намагничивания.
Метод магнитографического контроля характеризуется также низкой
разрешающей способностью: цепочку локальных дефектов трудно отличить от
непровара переменной величины. Для повышения разрешающей способности метода
в 11 предложено контролируемый объект намагничивать вдоль направления
распространения цепочки пор во многих случаях ориентация дефектов
известна) а считывание записи с ленты осуществлять вдоль линии
намагничивания. При этом разрешающая способность метода возрастает 10 ( 40
раз удается различить две находящиеся под краской или заполненные шлаком
поры наружной поверхности даже в том случае если они перекрываются.
Повышение разрешающей способности метода в этом случае можно объяснить
следующим. При режимах обеспечивающих высокую чувствительность метода
поля локальных дефектов оказываются вытянутыми в направлении
перпендикулярном вектору напряженности поля. Линии равных значений
тангенциальной составляющих полей пор и шлаковых включений имеют вид
эллипсов большие оси которых ортогональны направлению намагничивания.
Одним из путей повышения чувствительности контроля является отстройка
от помех обусловленных валиком шва поверхностными неровностями и
структурными неоднородностями контролируемого объекта. Например от помех
обусловленных валиком шва и краями ленты можно отстроиться если применить
две совмещенные магнитные головки с дифференциальной схемой включения
обмоток 12. При набегании на край ленты в головках будут индуцироваться
практически одинаковые сигналы (из-за близости расположения головок друг от
друга) которые на выходе можно исключить путем встречного включения
Недостаток – двухканальная дифференциальная головка регистрирует лишь
локальные дефекты либо начало и конец протяженного.
В современных дефектоскопах от помех обусловленных краями магнитной
ленты отстраиваются электронными устройствами. Основным узлом устройства
является линейный селектор времени пропускающий сигналы на индикатор
только в те моменты когда считывающая магнитная головка пробегает над
средней частью ленты 13.
Для отстройки от помех обусловленных валиком шва и поверхностными
неровностями в 14 предложен следующий способ магнитографического
контроля. После намагничивания сварного шва постоянным магнитным полем (при
этом на ленту запишутся как полезные поля так и помехи) необходимо
произвести повторное намагничивание сварного шва и ленты магнитным полем
не проникающим глубоко в металл шва и вызывающим образование помех
обусловленных только валиком шва и полей от поверхностных дефектов. При
повторном намагничивании направление вектора напряженности поля
противоположно первоначальному а его величина выбирается такой чтобы
компенсировать помехи за счет наложения их полей.
Для уверенного обнаружения дефектов создающих поля рассеяния
совпадающие с краем валика шва в 15 предложено дополнительно проводить
контроль при режиме 02НС(Н(((04НС где НС – коэрцитивная сила ленты. При
этом помехи обусловленные валиком шва не создают магнитного контраста
записи на ленте т.к. в этом случае магнитная лента работает на участке
обратимого намагничивания.
В 16 на ленту перед укладкой на изделие воздействуют полем заданной
напряженности направление которого совпадает с рабочим а величина равна
сумме внешнего поля и поля рассеяния от наибольшего допустимого дефекта.
В 17 для повышения достоверности контроля за счет определения его
раскрытия изделие намагничивают дважды регистрируя поле дефекта при
различных значениях напряженности поля.
Известен способ магнитографического контроля стыковых сварных швов
заключающийся в том что на шов укладывают магнитную ленту
намагничивают ее совместно с изделием магнитным полем направленным
перпендикулярно шву величину этого поля определяют по эмпирическим
таблицам учитывающим толщину изделия и ряд других факторов снятую с
изделием ленту сканируют построчно в поперечном длине шва направлении
индукционной головкой ее сигнал подают на осциллограф и о появлении
дефектов судят по изображению на экране. При так называемой импульсной
индикации признаком дефекта являются добавочные биполярные импульсы
возникающие между биполярными импульсами от краев шва.
Недостатком способа 18 является ограничение его применения при
контроле стыковых сварных соединений только такими где коэффициент формы
(отношение ширины валика к его высоте) удовлетворяет эмпирически найденным
критериям зависящим от толщины изделия и ряда других факторов. Это
связано в частности с тем что рост толщины изделия ведет к раздвиганию
сигнальных импульсов от дефектов в корне шва и при определенном
соотношении толщины изделия и геометрии валика импульсы от корневых
дефектов попадают на импульсы от краев валика что затрудняет выявление
Способ 18 магнитографического контроля заключается в том что
намагничивают контролируемое изделие совместно с магнитной лентой
уложенной на его поверхность постоянным магнитным полем Но направленным
перпендикулярно сварному шву снятую ленту сканируют преобразователем
построчно в поперечном длине шва направлении аналогичным образом на
эталонном бездефектном образце и о наличии дефектов в корне шва судят по
уменьшении амплитуды биполярных сигналов от краев сварного шва
бездефектного соединения.
Способ-прототип 18 имеет несколько недостатков. Во-первых в нем не
определен режим намагничивания т.е. величина постоянного поля Но
намагничивающего изделие; если это поле недостаточно для данной толщины
изделия корневой дефект не создает собственного поля т.е. не изменит
сигнал от краев валика и не будет обнаружен. Способ-прототип применим
преимущественно к сварным швам идеальной симметричной формы и корневым
дефектам находящимся строго на оси шва так как лишь для таких швов и
дефектов амплитуда сигналов от обоих краев дефектного сварного шва
одновременно и одинаково уменьшится по сравнению с амплитудой сигналов от
обоих краев бездефектного сварного шва. Реальный шов дает несимметричные
биполярные краевые импульсы разной амплитуды и при смещении корневого
дефекта с оси шва может уменьшиться импульс большей амплитуды; в итоге
сигнал дефектного шва станет по форме аналогичен сигналу бездефектного шва
станет по форме аналогичен сигналу бездефектного сварного шва симметричной
формы и дефект не будет обнаружен. В прототипе не указана степень изменения
амплитуды сигналов от краев дефектного сварного шва по сравнению с
амплитудой сигналов от краев бездефектного сварного шва. Реальный
бездефектный шов дает краевые импульсы случайным образом изменяющейся по
его длине амплитуды (например за счет местного изменения геометpии) так
что уменьшение амплитуды сигналов от краев шва за счет дефекта может не
превысить границ случайного изменения.
Известен способ магнитографического контроля 19 где на изделие
укладывают магнитную ленту однократно намагничивают ее совместно с
изделием в поперечном длине ленты направлении магнитным полем величину
напряженности Hо которого определяют по эмпирическим таблицам учитывающим
магнитные свойства ленты толщину изделия и другие факторы снятую с
изделия ленту сканируют построчно в поперечном ее длине направлении
индукционной головкой сигнал головки подают на осциллограф и о наличии
дефектов судят по изображению на экране. Способ применяется для контроля
изделий сварных швов толщиной до 20-25 мм и должен обеспечивать выявление
дефектов в 5-10% и более от толщины стенки.
Недостатком способа 19 является трудность выбора значения Hо
оптимального для выявления всех возможных дефектов. Действительно значение
Hо достаточное для выявления наружных дефектов (НД) не позволяет
обнаружить глубоколежащие внутренние дефекты (ВД); в свою очередь в полях
Hо достаточных для выявления ВД сигнал НД может резко уменьшиться. На
практике ориентируются на выявление наименьших недопустимых дефектов на
внутренней для ленты стенке изделия причем такими дефектами служат
Известен способ выбора оптимального значения Hо по величине магнитной
индукции в металле изделия 19 соответствующей максимуму производной от
магнитной проницаемости материала по магнитной индукции. Недостатком
способа является выбор значения Hо с точки зрения оптимальной индукции поля
в металле а не учета магнитных свойств ленты; способ выбора последних
здесь отсутствует. В итоге поле дефекта будет создано но из-за неверного
выбора ленты на ней может не записаться или записаться не оптимально.
Известен способ магнитографического контроля 19 где с целью
снижения собственных шумов ленты и повышения точности контроля уложенную на
изделие ленту намагничивают вместе с изделием до насыщения ленты в одном
направлении а затем в противоположном направлении до величины поля равной
величине релаксационной коэрцитивной силы ленты.
Способ 19 имеет недостатки: требует двукратного намагничивания
изделия что снижает производительность контроля; в нем не указаны
магнитные характеристики ленты и для низкокоэрцитивных лент поле Hо
соответствующее величине релаксационной коэрцитивной силы ленты может быть
недостаточным для выявления ВД.
Известен способ неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных
материалов 20 заключающийся в том что к контролируемому участку
предварительно намагниченного изделия прикладывается магнитная лента далее
с нее считывается магнитограмма по которой затем выявляется наличие
дефекта и определяется его местонахождение.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является
способ20 в котором индикатором является магнитная пленка входящая в
состав магнитодоменного преобразователя размещаемого на поверхности
контролируемого изделия. Магнитное состояние пленки задается результирующим
магнитным полем составляющими которого являются внешнее магнитное поле
(генерируемое устройством контроля) и поля рассеяния исследуемого объекта
при этом магнитное состояние пленки регистрируется магнитооптическим
методом а дефектность изделия определяется из анализа магнитооптического
сигнала при сканировании магнитодоменным преобразователем поверхности
Для реализации этого способа 20 необходимо чтобы материал магнитной
пленки служащей индикатором обладал высокой магнитооптической
добротностью при необходимых величинах других магнитных параметров пленки
таких например как намагниченность анизотропия коэрцитивная сила и т.д.
Такое сочетание требований исключает возможность применения широкого
разнообразия магнитных материалов для приготовления индикаторных пленок.
Кроме того этот способ достаточно чувствителен только к нормальной
компоненте магнитного поля. Как то так и другое ограничивает возможности
способа основанного на использовании индикаторной пленки.
Сущностью способа магнитного контроля труб 21 включающего
намагничивание трубы сканирование рельефа магнитного поля рассеяния
внутренней стенки трубы преобразование магнитного поля рассеяния в
электрический сигнал считывание обработку информации и визуализацию
дефектов является то что сканирование осуществляют путем вращения
контролируемой трубы вокруг магниточувствительного строчного
преобразователя расположенного внутри герметичного вращающегося барабана
на который нанизана и обкатывается по его наружной поверхности
намагниченная диагностируемая труба; магниточувствительный строчный
преобразователь и датчик контроля уровня намагниченности располагают
неподвижно внутри вращающегося герметичного барабана вдоль его образующей
вблизи его внутренней стенки и линии касания наружной поверхности барабана
и внутренней поверхности намагниченной трубы.
Таким образом анализ литературных источников показал что
целесообразней применять намагничивание сварного шва с прилегающей
околошовной зоной считывать топографию магнитного рельефа контролируемого
участка и по магнитограмме определять наличие дефектов. Также необходимо
производить раздельный контроль сварных швов на наличие протяжённых и
локальных дефектов. В первом случае сварной шов необходимо намагничивать в
поперечном направлении используя при неблагоприятных размерах выпуклости
шва концентраторы магнитной индукции во втором случае – в продольном
направлении считывая запись с ленты вдоль направления её остаточной
оборудования для контроля
В практике магнитографического контроля получили применение следующие
типы намагничивающих устройств:
- дисковые магниты ДМ используемые для контроля листовых конструкций
и труб с толщиной стенки до 5-6 мм;
- подвижные намагничивающие устройства ПНУ применяемые при контроле
труб диаметром свыше 150 мм и листовых конструкций толщиной до 16 мм;
- устройства используемые для контроля стыков труб небольших
диаметров типа намагничивающих клещей НК поясов НП и вилок НВ.
Намагничивающее устройство ДМ – дисковый магнит предназначенное для
контроля листовых конструкций состоит из двух дисков и соединяющего их
стержня. На стержне размещена обмотка концы которой выведены к зажимам
изолированным от магнитопровода.
Токопровод состоит из двух изолированных друг от друга скоб имеющих
втулки соединенные с концами обмотки. Для передвижения и регулировки
направления магнита по шву служит ручка внутри которой пропущены провода
присоединённые через регулирующее устройство (реостат) к источнику питания.
Между дисками поверх защитного кожуха обмотки помещено кольцо из
мягкой резины предназначенное для прижима магнитной ленты поверх шва.
Дисковые магниты дают значительное растекание потока магнитной
индукции что существенно ухудшает условия образование и выявление полей
дефектов при магнитном контроле. Ухудшение условий намагничивания особенно
чётко наблюдается при толщинах контролируемых изделий свыше 5-6 мм и
диаметрах труб менее 300 мм 3.
В подвижных намагничивающих устройствах ПНУ применён принцип
одновременного создания однородного магнитного потока на участке
значительной протяжённости. Устройство состоит из двух стальных полюсов
скреплённых стальными сердечниками на которых размещается одна или две
катушки. Стальной каркас катушки опирается на четыре колеса из немагнитного
материала (дюралюминий). Колёса расположены таким образом что при
установке намагничивающего устройства на контролируемое изделие между
полюсами и поверхностью изделия образуется воздушный зазор в 2-3 мм.
Устройство перемещается вдоль контролируемого шва таким образом чтобы
возбуждаемый при включении тока магнитный поток пересекал продольную ось
шва под прямым углом.
Благодаря значительной длине магнитопровода подвижное намагничивающее
устройство обеспечивает одновременное намагничивание участка шва с
минимальным растеканием магнитного потока и эффективное выявление дефектов.
Подвижное намагничивающее устройство для намагничивания стыков труб
имеет полюса с кривизной соответствующего радиуса. Это устройство
предназначено для контроля труб больших диаметров от 168 мм до 1024мм 3.
Неподвижное устройство типа намагничивающие клещи НК предназначено для
контроля труб небольших диаметров и представляет шарнирно раскрывающийся
электромагнит позволяющий одновременно намагничивать контролируемый стык
Намагничивающие клещи состоят из двух стальных каркасов-полуколец
соединённых между собой шарниром. На каркасах размещены обмотки
электромагнита соединённые последовательно. Клещи снабжены рукоятками
дающими возможность устанавливать и снимать клещи с контролируемого стыка.
Намагничивающие клещи позволяют контролировать стыки труб определённых
диаметров для контроля стыков труб нескольких диаметров должно применяться
устройство НК различных типоразмеров 3.
Магнитные пояса имеют импульсный источник тока и состоят из двух
последовательно соединённых катушек. Концы витков припаяны к штыковым
разъёмам. Катушки пояса располагаются на расстоянии 20 мм по обе стороны от
контролируемого стыка. При включении тока в зоне шва возникает магнитный
поток направленный перпендикулярно к плоскости продольного разреза
сварного стыка. Основными достоинствами магнитных поясов является
одновременное намагничивание стыка по всему его периметру универсальность
позволяющая применять устройство для намагничивания стальных труб с
диаметром от 48 мм до 133 мм и портативность и источника тока.
Намагничивающие вилки НВ предназначены для контроля стыков труб
небольших диаметров до 59 мм и толщиной стенки до 4 мм. Намагничивающие
вилки состоят из стального корпуса и рукоятки. Полюса вилки охватывают
контролируемы стык на половину длины его окружности. Поэтому контроль
стыков труб с помощью намагничивающей вилки производят с двух сторон 3.
Проанализировав различные литературные источники я пришел к выводу
что при перемещении труб больших размеров не всегда можно добиться точного
положения полюсов намагничивающего устройства относительно сварного шва.
Поэтому в данном разрабатываемом мною устройстве целесообразно применить
ручную корректировку положения трубы позволяющую добиться необходимого
положения сварного шва относительно полюсов электромагнита.
Компоновка расчёт и разработка оборудования для контроля
контроле ферромагнитных изделий.
Для расчёта электромагнита намагничивающего устройства необходимо знать
оптимальное значение индукции в контролируемых сечениях объекта.
По данным таблицы Г1 22 строим кривую намагничивания материала
контролируемого изделия В=f(H). Кривая намагничивания приведена на чертеже
ЭМК 36.00.00.02. Используя данные этой кривой строим зависимость
График зависимости приведен на чертеже ЭМК 36.00.00.02.
Расчет оптимального режима намагничивания сводится к отысканию
максимального приращения производной на падающей (правой) ветви данной
кривой. Максимальное приращение производной [pic] находится в месте
перегиба кривой функции [pic] на ее ниспадающей ветви (в этой точке
По приближенным формулам определяют[pic] и [pic] используя значения [pic]
нисходящей ветви [pic] для точек [pic] и [pic] где h - шаг изменения B.
Оптимальному режиму намагничивания соответствует точка пересечения графика
функции [pic] с осью абсцисс и минимумом функции [pic]. Графики этих
функций представлены на чертеже ЭМК 36.00.00.02.
Следует отметить что расчетное значение Вопт ниже значения полученного
экспериментально на 10 20%.
В нашем случае Вопт=167 Тл.
Расчетная и эквивалентная электрическая схема электромагнита
представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.
Рисунок 1 – Расчетная схема электромагнита
Целью расчета является определение намагничивающей силы (IW)
устройства для создания в изделии необходимой индукции.
Из рекомендаций толщина полюсов намагничиваемого устройства должна
быть в 2-3 раза больше толщины стенки намагничиваемого изделия. Если же
толщина стенки изделия 1 2 мм то толщина полюсов – 10-20 мм. Остальные
размеры намагничивающего устройства выбирают конструктивно исходя из
существующих разработок. Например расстояние L между полюсами
электромагнита – не менее 70 мм высота h – не менее 100 мм. Расчет
выполняют принимая допущение что растекание магнитного потока в изделии
отсутствует т.е. размеры проекции устройства на изделие и изделия равны.
Зададимся следующими значениями параметров электромагнита для расчета
Рисунок 2 – Эквивалентная электрическая схема электромагнита
Из закона Кирхгофа следует:
где[pic]- падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи
Рассматриваем сумму падений магнитных напряжений в изделии Uu в
зазорах Uy в магнитопроводе Un:
Строим кривую намагничивания материала изделия. Используя выражение
(5) по 6-8 значениям [pic] и [pic] взятых с кривой намагничивания строим
зависимость [pic] а затем зависимость [pic] в той же системе координат.
Вычислим падение магнитного напряжения в зазорах:
Рисунок 2 – График зависимости [pic]
Затем на отдельном графике строится кривая падения магнитного
напряжения в магнитопроводе в зависимости от потока в нем [pic].
Значения B и H определяем по кривой намагничивания материала
График зависимости [pic] представлен на чертеже ЭМК 36.00.00.03.
Чтобы пересчитать [pic] в зависимости от [pic] запишем уравнение
Кирхгофа для точки М эквивалентной электрической схемы (схема представлена
где F – магнитный поток рассеяния шунтирующий изделие и переходный
Так как отношение потоков Фu и F обратно пропорционально магнитным
сопротивлениям [pic] и [pic] то:
где [pic] – магнитное сопротивление потока рассеяния между полюсами
где [pic] – проводимость участка между параллельными призмами
(полюсами намагничивающего устройства):
где [pic] получаем из (10) и (11):
Bu и Hu – соответствуют оптимальному режиму намагничивания.
Путем пересчета с использованием формулы (15) из последнего графика
получают зависимость [pic]. Затем суммируя [pic] получают зависимость
[pic]. Зная сечение изделия строят вторую ось[pic] т.е. аналогичную
зависимость [pic] где [pic]. Графики представлены на чертеже ЭМК
По известному значению оптимальной индукции [pic] в контролируемом
сечении определяют [pic]. Затем с учетом коэффициента заполнения и площади
S окна занимаемого всеми витками катушки в сечении перпендикулярном осям
витков (S составляет приблизительно 80% площади окна образованного П-
образным сердечником и намагничиваемым изделием) определяют число витков
обмоточного провода задаваясь различными диаметрами (d от 1 до 3 мм):
Определяем величину тока в катушке по известным намагничивающей силе и
числу витков [pic]. При этом следует помнить что расчет выполнен для
случая контроля плоских изделий и не учитывает растекание магнитного потока
в изделии. Для намагничивания сварных соединений с усилением шва ток нужно
увеличивать в 6 8 раз. Определяем электрическое сопротивление обмотки:
и потребляемую мощность:
в каждом случае ([pic]-средняя линия витка провода в катушке[pic]-
удельное электрическое сопротивление).
Расчёт следует выполнить для трёх диаметров провода. Если
потребляемые мощности одинаковы то диаметр провода выбирают исходя из
приемлемого числа витков катушки.
Расчёт параметров электромагнита в зависимости от диаметра провода
приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Расчёт параметров электромагнита
dпр мм W1 витков I1 А J Амм2 R Ом P Вт
Диаметр провода выбираем равный dпр=2 мм.
В данном расчете использовалась программа Mathcad 14.
Описание устройства для контроля и принципа его действия
Для магнитографического контроля сварных соединений труб в заводских
условиях я применил намагничивающее устройство позволяющее намагничивать
весь продольный сварной шов с одной установки.
Устройство для контроля содержит П-образный электромагнит который
перемещается вдоль контролируемого шва.
В данном устройстве предусмотрены колеса (поз. 2) которые позволяют
произвести ручную корректировку положения трубы чтобы добиться
необходимого положения сварного шва относительно полюсов электромагнита.
Эти колеса прикреплены к станине (поз. 3).
Магнитная лента на сварном шве закрепляется при помощи технологических
Устройство работает следующим образом.
Перед проведением контроля сварной шов подготавливается
соответствующим образом. Труба помещается на установку и производится
корректировка положения сварного шва относительно полюсов электромагнита.
Магнитная лента устанавливается на шов и закрепляется. По ней
проезжает тележка с электромагнитом тем самым намагничивая шов в
продольном направлении.
По окончании процесса намагничивания магнитную ленту снимают с трубы и
полученную на ней магнитную запись воспроизводят на магнитографическом
дефектоскопе МДУ-2У.
Разработано устройство для магнитографического метода контроля швов на
наличие пор и шлаковых включений в продольных сварных швах труб содержащее
электромагнит постоянного тока установленный на тележке позволяющей
производить продольное намагничивание сварного шва.
Разработка методики контроля
На первоначальном этапе происходит внешний осмотр сварного шва. Шов
осматривается визуально на наличие дефектов нарушения сплошности. Шов
должен соответствовать требованиям СниП Ш-42-80 или другому нормативно-
техническому документу утвержденному в установленном порядке. До
проведения контроля с поверхности продольного шва выполненного
автоматической сваркой и околошовных зон шириной не менее 20 мм с каждой
стороны валика усиления должны быть устранены грубые неровности. Кроме
того с поверхности контролируемых сварных швов и около шовных зон должна
быть удалена грязь и другие посторонние наслоения затрудняющие плотное
прилегание магнитной ленты и ухудшающие условия магнитной записи на ней
Перед проведением магнитографического контроля магнитная лента должна
быть подвергнута размагничиванию с помощью стирающего устройства входящего
в комплект дефектоскопа.
После соответствующей обработки сварного шва труба поступает на
намагничивающее устройство где вместе с прижатой эластичным поясом
магнитной лентой намагничивается.
Длина отрезка магнитной ленты накладываемой на контролируемый шов
должна быть не менее длины трубы которая составляет 3000 мм.
Намагничивание контролируемых продольных сварных соединений выполняют
постоянным током протекающим по обмотке электромагнита обеспечивающего
равномерное намагничивание продольного шва по всей толщине.
Трубу подают на намагничивающее устройство фиксируют её вместе с
магнитной лентой и включают ток необходимой величины.
Рекомендованное значение суммарного тока при данном продольном
намагничивании диаметром трубы - 1420 мм и толщиной стенки 16 мм - 3708А.
По истечении 1-2 с. выключают ток.
В процессе намагничивания контролируемого сварного шва необходимо
следить за тем чтобы полюса намагничивающего устройства были расположены
симметрично середине шва по всей длине.
После намагничивания контролируемого сварного соединения магнитную
ленту аккуратно снимают с поверхности шва и доставляют к месту
воспроизведения полученной магнитограммы с соблюдением мер
предосторожности которые исключают воздействия на нее постоянных магнитных
В качестве магнитного дефектоскопа выступает дефектоскоп типа МДУ-2У.
Дефектоскоп должен быть настроен.
Браковочный уровень на шкале импульсной индикации или на диаграмме
регистратора должен соответствовать минимальной величине недопустимого
дефекта регламентированного нормативно-технической документацией на
строительство данного трубопровода. Если амплитуда сигнала записанная на
магнитной ленте превышает уровень допустимой амплитуды в данном
дефектоскопе то следует говорить о наличии дефекта.
Выбор типа магнитной ленты для магнитографического контроля изделия
Известен оптимальный режим намагничивания (Вопт = 167 Тл) и кривая
намагничивания материала изделия.
Для получения широкого рабочего диапазона характеристики ленты
рекомендуют использовать ленту такого типа чтобы ее рабочая точка А
совпадала с начальной точкой крутого возрастающего участка характеристики
ленты (см. рисунок 3). Напряженность поля требуемая для намагничивания
ленты до указанной точки приблизительно равна ее коэрцитивной силе.
Рисунок 3 – Характеристика магнитной ленты
Поэтому для выбора типа ленты вначале по кривой намагничивания
материала изделия определяют напряженность поля требуемую для получения
Вопт (в нашем случае Hтр = 60 Асм). Так как составляющая вектора
напряженности поля параллельная границе раздела сред имеет по обе стороны
границы одинаковые значения а ферромагнитный слой ленты находится
практически у самой поверхности то на ленту в ее плоскости воздействует
поле напряженностью Нтр. Это поле смещает рабочую точку характеристики
ленты. По таблице Г2 2 выбирают магнитную ленту И4701–35 с коэрцитивной
силой Нс = 60 А см = Нтр.
Разработанные методика контроля и устройство для ее осуществления
позволяют достоверно обнаруживать дефекты вида непроваров величиной более
% от толщины основного металла пор и шлаковых включений величиной более
% от толщины основного металла.
Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Испытательные образцы продольных сварных швов должны быть изготовлены
для каждой толщины стенки и марки стали труб и сварены тем же методом и по
той же технологии (сварочные электроды проволока флюс режим сварки) что
и продольные швы труб качество которых подлежит контролю
магнитографическим методом.
Если на данном объекте применяются трубы различной поставки из сталей
с одинаковыми или близкими магнитными свойствами то допускается
изготовление одного общего испытательного образца для труб из этих сталей с
одинаковой толщиной стенки.
В качестве испытательного образца может служить труба или ее часть
длинной не менее 13 окружности сваренная из двух частей трубы того же
диаметра что и контролируемая.
Испытательный образец применяют для изготовления эталонных магнитных
лент. Эталонные ленты получают при контроле испытательных образцов при
использовании рабочих намагничивающих устройств и рабочих режимах
намагничивания. Эталонные ленты применяют для настройки дефектоскопа.
Амплитуда сигнала на экране дефектоскопа обусловленная наименьшим
недопустимым дефектом соответствует минимальному браковочному уровню.
Если амплитуда сигнала обусловленная дефектом в объекте контроля
превышает браковочный уровень то дефект считают недопустимым.
Сварка продольного шва испытательного образца должна производиться
таким образом чтобы поверхность шва удовлетворяла требованиям п.1.4 ГОСТ
225-82 и в некоторых участках шва имелись внутренние дефекты (непровар
или цепочка шлаковых включений преимущественно в корне шва) протяженностью
не менее 40 мм и величиной соответствующей минимальному браковочному
Допускается использование сварочных испытательных образцов по ГОСТ
225-82 п.2 с искусственными дефектами в виде канавок шириной 2-25 мм и
длинной не менее 40-50 мм профрезированные по середине шва со стороны его
корня. При наличии подварки корня шва внутренний валик усиления в местах
фрезировки должен соответствовать минимальному браковочному уровню для
заданий толщины стенки трубы установленному нормативно-технической
Мероприятия по охране труда
Работы по магнитографическому контролю следует вести в соответствии с
“Техника безопасности в строительстве”:
Магнитографический контроль должно выполнять звено из двух
дефектоскопов или из дефектоскопа и его помощника.
При использовании магнитографических дефектоскопов и намагничивающих
устройств выполняют требования электробезопасности в соответствии со
следующими нормативными документами:
“Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок
потребителей” (М.Энергия 1970)
При необходимости проверки напряжения электротока на клеммах
намагничивающего и воспроизводящего устройств следует пользоваться только
специальными приборами (указателем напряжения или контрольной лампой).
Требования пожарной безопасности соблюдают в соответствии с ГОСТ
При подготовке продольного сварного шва и проведении контроля
дефектоскописты и их помощники при движении трубы не должны находиться на
её пути к установке.
Для подъема трубы и её перемещения следует использовать средства
механизации (подъемные механизмы).
Все лица участвующие в проведении магнитографического контроля должны
периодически проходить инструктаж по технике безопасности с регистрацией в
специальном журнале.
Анализ литературных материалов показал что наиболее приемлемым при
контроле продольных сварных швов труб с толщиной стенки 16 мм и диаметром
20 мм является магнитографический метод.
На основе результатов расчета установлено что оптимальное значение
индукции в контролируемом сечении шва составляет 167 Тл.
На основе результатов расчета и рекомендаций литературы определены
параметры электромагнита намагничивающего устройства: сечение полюса 100(18
мм диаметр провода 2 мм число витков 1345.
Разработанные методика контроля и устройство магнитографического
контроля для ее осуществления позволяют достоверно обнаруживать дефекты
типа сплошностей: протяженные – более 10% локальные - более 25% от
Н.П. Алешин В.Г. Щербинский Контроль качества сварных работ: учеб.
пособие для сред. ПТУ.-2-е изд. перераб и доп.-М.:Высш.шк.1986.-297с.ил-
(Профтехобразование).
Приборы и методы электромагнитного контроля. Методические указания к
курсовой работе для студентов специальности 20 01 02 – ”Приборы и методы
контроля качества и диагностики”.-Могилев: БРУ 2008.-28 с. Составитель
Фалькевич А.С. Магнитографический контроль сварных соединений.
А.С. Фалькевич М.Х. Хусанов – М.: Машиностроение 1966 – 176 с.: ил.
ГОСТ-25225-82. Швы сварных соединений трубопроводов.-М.
издательство стандартов1982-11 ст.
Х.Кухлинг Справочник по физике:Пер. с нем.-М.:Мир 1982.-520 с.ил.
Новиков В.А. Исследование магнитографического метода контроля
стыковых сварных соединений с целью повышения его разрешающей способности:
Дис канд. техн. наук: 01.04.11.– Защищена 22.03.85; Утв. 07.08.85;
3272 – Сведловск.1985– 206 с.: ил.
Шарова А.М. Чувствительность магнитографического контроля качества
сварных соединений низкоуглеродистых сталей А.М. Шарова Д.А. Роговин
В.П. Куликов Автоматическая сварка.–1973.–№3.–С.39–42.
А.с. 1797033 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных швов В.А. Новиков В.А. Романов (СССР).– №492802628;
Заявлено16.04.91; Опубл. 23.02.93; Бюл. №7.– 6 с.
А.с. 1672345 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля стыковых сварных швов В.А. Новиков (СССР).– №
1996628;Заявлено 14.12.88; Опубл.23.08.91 Бюл.№31.– 6 с.: ил.
А.с. 1767408 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных соединений В.А. Новиков В.А. Романов
(СССР).–№482948228; Заявлено 28.05.90; Опубл. 07.10.92; Бюл. №37.– 6 с.:
А.с. 1677601 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля В.А. Новиков (СССР).–№ 4630527; Заявлено 02.01.89; Опубл.
09.91 Бюл.№34.– 8 с.: ил.
Козлов В.С. Физика магнитографической дефектоскопии.–Мн.: Наука и
техника 1968.–160 с.: ил.
Козлов В.С. Техника магнитографической дефектоскопии.–Мн.: Вышэйшая
школа 1976.–280 с.: ил.
А.с. 564583 СССР МКИ2 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных соединений А.М. Шарова В.П. Куликов В.А. Новиков
(СССР).– № 212065528; Заявлено 02.04.75; Опубл. 05.07.77 Бюл.№25.– 8 с.:
А.с. 1506346 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля стыковых сварных соединений В.А. Новиков (СССР).–
№423026925–28; Заявлено 27.01.87; Опубл. 07.09.89 Бюл.№ 33.– 6 с.: ил.
А.с. 1534380 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля изделий из ферромагнитных материалов В.А. Новиков Л.В.
Кублицкая Т.М. Киселева (СССР).– №441423425–28; Заявлено 25.04.88; Опубл.
01.90 Бюл.№1.– 6 с.: ил.
А.с. 1567964 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитного контроля
изделий В.А. Новиков (СССР).– №430174724–21; Заявлено 02.09.88; Опубл.
05.90 Бюл.№20.– 6 с.: ил.
А.с. 2060492 РФ МКИ6 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных швов Михайлов С.П.; Щербинин В.Е.– № 502304828;
Заявлено 1992.01.22; Опубл. 1996.05.20 Бюл.№ 172000. : ил.
А.с. 2097758 РФ МКИ6 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля изделий с поверхностью малой кривизны из магнитомягких сталей
Михайлов С.П.– № 9302689628; Заявлено 1993.05.07; Опубл. 1997.11.27 Бюл.№
А.с. 2160441 РФ МКИ7 G01 N 2785 G01 N 2782 G01 R 3324. Способ
неразрушающего контроля ферромагнитных материалов Беляев Б.А.; Лексиков
А.А.; Макиевский И.Я.; Овчинников С.Г.– № 9811913228; Заявлено 1998.10.21;
Опубл. 2000.12.10 Бюл.№ 232002. : ил.
А.с. 2191374 РФ МКИ7 G01 N 2785. Способ неразрушающего контроля
труб Махов В.Н.; Рудник В.М.; Кузеванов В.Ф.; Булатов Ю.П.; Горкунов
Э.С.; Бондарюк Н.Н.– № 200012257528; Заявлено 2000.08.28; Опубл.
02.10.20 Бюл.№ 162004. : ил.
Приборы и методы электромагнитного контроля. Методические указания
к курсовой работе для студентов специальности 20 01 02 – “Приборы и методы
контроля качества и диагностики”. – Могилев 2008. – 28с.
Белорусско-Российский
Разработка устройства и методики контроля продольных сварных швов труб

Титульник.doc

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Физические методы контроля»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Приборы и методы электромагнитного контроля»
Студент: Соколов Ю. С.
Тема работы: Разработка устройства и методики контроля продольных
Работу выполнил студент: Соколов Ю. С.
Руководитель работы: Новиков В.А.

2 Граф чувствительности A2.cdw

Размеры дефектов которые находятся на глубине до 290 мм:
Формулы акустического тракта при контроле
прямым преобразователем
Белорусско - Российский
Графики чувствительности
Зависимость эхо-сигнала от различных отражателей

ЭМК - Спецификация 2.cdw

Винт М6х1х15 ГОСТ 1491-80
Болт М6х1х15 ГОСТ 7798-70
Винт М3х1х10 ГОСТ 1491-80
Винт М3х1х4 ГОСТ 1491-80
Винт М2х1х3 ГОСТ 1491-80
Гайка 2М6 ГОСТ 5915-70
Пружина I-2 ГОСТ 5222-72
Рым-болт М12 ГОСТ 4751-73
Шайба 5 ГОСТ 6402-61
Шайба 4 ГОСТ 6402-61
Лента магнитная И4 701-35

СпецификацияПЭП.spw

Белорусско-Российский
университет гр. МПКЗ-061
Разъем высокочастотный

еу3.dwg

ГОСТ 2.104-68 Форма 1
Устройство сканирующее ручное.nСборочный чертеж.
* Размеры для справокn2. Для деталей поз. 367 использовать смазку ЛИТА ТУ 38-101214-72n3. Клей БФ 2 ГОСТ 12172-55
Белорусско-российскийnуниверситет гр.ПСЗ 021

графики.dwg

ГОСТ 2.104-68 Форма 1
Зависимость эхо-сигнала от различных отражателей
- b=1.5мм 2- b=2мм 3- b=2.5мм 4- b=3мм 5- b=3.5мм 6- r=56мм
Белорусско Российскийnуниверситет гр ПСЗ 021

Сборочныйuii9oi.cdw

Устройство для контроля
сварных швов полотнищ на
наличие локальных дефектов
* Размеры для справок
Кожух муфты условно не показан

Сборочный.cdw

Устройство для контроля
сварных швов полотнищ на
наличие локальных дефектов
* Размеры для справок
Кожух муфты условно не показан

2 А1 Расчёт электромагнита.cdw

Зависимость суммарного магнитного напряжения в магнито-
проводе от магнитного потока и индукции в изделии
Зависимость магнитных напряжений в зазоре U
от магнитного потока в изделии
Зависимость магнитного напряжения в магнитопро-
воде от магнитного потока в нём
Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе
Расчёт электромагнита для
намагничивания изделия
Расчётная схема электромагнита
Эквивалентная электрическая схема электромагнита
Кривая намагничивания материала изделия

3 А1 Устройство для намагничивания (модернизированное).cdw

Устройство для продольного
* Размеры для справок

зоны прозвучивания А3.cdw

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

4 Спецификация (Соколов).spw

Устройство для контроля
продольного шва трубы
Определение оптимального
режима намагничивания
Расчёт электромагнита для
намагничивания изделия
Технологическая пластина
Болт М16х20 ГОСТ 7805-70
Шайба М30 ГОСТ 6958-78

ГОТОВОЕ приложение.doc

Параметры для наклонного преобразователя рассчитанные программой
Выбранная рабочая частота fp = 2.500 МГц
Уточнeнный радиус пьезопластины a = 6 мм
Половина угла раскрытия на уровне 0.8: 7.30 град.
Гpаница ближней зоны rб = 28.274 мм
Угол ввода поперечной волны в изделие: (t=65 град.
Путь центрального луча в призме ra = 11.9 мм > 5.9 мм
Стрела преобразователя n > 9.5 мм
Высота призмы AD > 6.13 мм
- Бесконечная полоса высотой b;
- Глубина залегания h = 12.00 мм;
- Расстояние до дефекта = 25.09 мм;
Ослабление сигнала от
Рисунок 1 - График зависимости затухания УЗ волн в ОК для наклонного
Рисунок 2 – Диаграмма направленности в декартовых координатах
Рисунок 3 – Диаграмма направленности в полярных координатах
Рисунок 4 – Зависимость сигнала от отражателя типа сфера
Рисунок 5 – Зависимость сигнала от отражателя типа диск
Рисунок 6 – Зависимость сигнала от отражателя типа двугранный угол

Содержание.doc

Характеристика объекта контроля 6
Обоснование выбора метода контроля 7
Анализ литературных источников с целью выбора способа
Анализ литературных источников с целью разработки
или модернизации оборудования для контроля 16
Компоновка расчёт и разработка оборудования для контроля
1 Определение оптимального режима намагничивания
при магнитографическом контроле ферромагнитных изделий 18
2 Расчёт устройства для намагничивания изделия в
процессе магнитного контроля
Описание устройства для контроля и принципа его действия
Разработка методики контроля
Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Мероприятия по охране труда
Разработка устройства и методики магнитного контроля полотнищ на наличие
локальных дефектов в швах

1 А2 Графики (Сталь10, расч-графич).cdw

от индукции в контролируемом сечении
Кривая намагничивания материала
Зависимость магнитной проницаемости
Определение оптимального
(расчётное значение).
(экспериментальное значение).

еу2.dwg

15 - измерительный прибор
- 21 - торцы световодов
- жидко - кристаллические заслонки
Разбивка по секторам
Белоруско-Российскийnуниверситет гр. ПСЗ 021

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

5 Устройство УЗК поковки на резцодержателе a1 ok.cdw

Устройство для УЗ контроля
Белорусско - Российский
университет гр. МПКЗ - 061
* - размеры для справок

Основная часть.doc

В современных условиях сварка является самым распространённым методом
получения неразъёмных соединений из металла. Благодаря надёжности и
дешевизне она широко применяется в строительстве и машиностроении.
При изготовлении и монтаже трубопроводов котлов высокого давления
корпусов кораблей резервуаров и других сварных конструкций ответственного
назначения требуется обеспечение высокой надёжности и качества данных
соединений. Контроль качества является неотъемлемым этапом всего жизненного
цикла любого изделия (сварное соединение) который является гарантией
работоспособности и надёжности сварных соединений и конструкций.
Современная дефектоскопия сварных соединений использует многие методы
контроля позволяющие оценивать качество соединений с различной позиции.
Наиболее совершенными из них являются методы контролирующие сплошность
металла шва и околошовной зоны без разрушения соединения. При отсутствии
несплошностей являющихся концентраторами напряжений и применения
надлежащих материалов (электродов проволоки флюса) сварные соединения
могут надежно работать в самых тяжелых условиях.
Многочисленные исследования ученых и практика эксплуатации сварных
конструкций ответственного назначения способствовали широкому применению
физических неразрушающих методов контроля в различных отраслях
промышленности и строительства.
Основные преимущества методов контроля основанных на достижениях
различных областей современной физики сводятся к следующему:
- значительно уменьшаются затраты и сокращаются сроки проверки сварных
швов по сравнению с ранее применявшимися выборочными механическими
испытаниями образцов сварных швов;
- возможен широкий охват а иногда и сплошная проверка сварных швов
объектов ответственного назначения;
- возможно выявление дефектных участков шва с последующим их
- наглядны результаты некоторых физических методов контроля что
повышает ответственность сварщиков за качество своей работы.
Способ неразрушающего контроля для конкретных объектов необхо-
димо выбирать в зависимости от разрешающей способности и универсальности
метода контроля его чувствительности к выявлению различных дефектов в
сварных швах производительности стоимости и безопасности для
обслуживающего персонала.
В последние годы развитие неразрушающей дефектоскопии сварных
соединений в основном осуществляется в следующих направлениях:
- изучение проникающего действия рентгене- и гамма-излучения
фиксируемого на специальной пленке или визуально наблюдаемого на экране;
- изучение распространения концентрированного пучка ультразвуковых
колебаний в металлических изделиях и фиксация отклонения этих колебаний в
местах несплошностей (дефектов) в сварных швах и основном металле;
- исследование магнитных полей рассеяния или различной степени
намагниченности ферромагнитных изделий в местах несплошностей фиксируемых
с помощью измерительных приборов перемещения частиц железного порошка или
«записей» на магнитной ленте.
Каждое из этих направлений развития дефектоскопии сварных соединений
осуществляется в виде целого ряда физических методов контроля имеющих
определенную область применения 1.
Современная технология насчитывает сотни различных способов сварки.
Качество сварных соединений проверяют выборочными разрушающими испытаниями
на прочность и неразрушающими испытаниями с помощью радиационных
ультразвуковых магнитных электромагнитных и других методов контроля.
Проведенные в последние годы исследования показывают что качество
сварных соединений колеблется в широких пределах и по отдельным отраслям
промышленности и строительства может быть весьма низким.
Низкое качество обычно – следствие несоблюдения запроектированной
технологии отсутствие системы обратной оперативной связи от контроля
технологии и других скорее организационных чем технических недостатков.
Указанные организационные недостатки могут быть преодолены с помощью
внедрения системы и методов статистического управления качеством. Эти
методы в сварочном производстве пока не нашли нужного применения.
Растущие требования к качеству продукции выдвинули задачу подготовки
специалистов владеющих необходимой совокупностью знаний технологий
аппаратуры контроля и вопросов организации управления качеством
В данной курсовой работе необходимо разработать устройство и
методику магнитного контроля полотнищ на наличие локальных дефектов в швах.
Для этого необходимо провести анализ характеристик объекта контроля
выбрать оптимальный метод контроля схему и параметры намагничивания
изучить особенности работы магнитной ленты при магнитографическом контроле;
произвести расчёт и разработать оборудование для контроля.
Разработанное устройство должно обеспечивать максимальную
достоверность и производительность контроля минимальную трудоёмкость и
минимальные затраты на его изготовление.
Характеристики объекта контроля
Объект контроля представляет собой двустороннее сварное соединение
полотнища (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Объект контроля
Полотнище изготовлено из стали 09Г2 которая является
низколегированным ферромагнетиком. Используется при изготовлении деталей
вагоностроения экскаваторов элементов сварных металлоконструкций и других
деталей работающих при температуре от -40° до +45° С.
Сварка стали 09Г2 производится без подогрева и без последующей
термообработки что даёт ей преимущество перед рядом других марок сталей
Полотнище изготовлено путём сваривания листов стали и имеет габаритные
Согласно техническому условию недопустимыми для данного вида изделия
являются протяжённые дефекты глубиной более 10% поры и шлаковые включения
– больше 25% от толщины изделия.
Программа – 500 шт.год.
Обоснование выбора метода контроля
Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных полей
рассеяния возникающих при наличии различных дефектов сплошности в
намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов.
В настоящее время известны следующие методы магнитного вида контроля:
- магнитопорошковый;
- магнитографический;
- магниторезисторный;
- феррозондовый магнитополупроводниковый.
Магнитопорошковый метод имеет ряд недостатков: низкая
производительность низкая чувствительность для дефектов находящихся на
большой глубине стекание магнитной суспензии с объекта контроля. Метод
является индикаторным а по тому не позволяет даже приближенно оценить
Индукционный – требует высокой скорости перемещения преобразователя
при контроле в приложенном поле 4.
Магнитографический метод контроля обладает особой чувствительностью
при выявлении протяженных поверхностных и подповерхностных дефектов объекта
контроля безопасен для обслуживающего персонала и позволяет многократно
использовать магнитные ленты.
Важнейшим недостатком магнитографического метода является возможность
фиксации ложных сигналов при наличии грубой чешуйчатости и других
неровностей поверхностей сварного шва. Поэтому на современном уровне
наиболее эффективные результаты магнитографический метод дает при
использовании его для контроля сварных соединений выполненных
автоматической сваркой под флюсом и другими механизированными методами
сварки плавлением в изделиях толщиной до 25 мм (ГОСТ 25225-82).
Такие методы как феррозондовый эффект Холла индукционный можно
использовать на грубых поверхностях при этом минимальная глубина
выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатости
Феррозондовый и индукционный метод метод эффекта Холла удобно применять
для контроля цилиндрических изделий.
Проанализировав существующие методы контроля и основываясь на том что
выбранный метод должен обеспечивать высокую чувствительность достоверность
контроля производительность удобство в эксплуатации и наглядность
приходим к выводу что наиболее приемлемым методом контроля сварных швов
полотнищ является магнитографический так как он обладает высокой
чувствительностью производительстью позволяет судить о размерах
обнаруженных дефектов позволяет отстроиться от ложных сигналов
обусловленных поверхностными неровностями и структурными неоднородностями
и позволяет многократно использовать магнитные ленты.
Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля
В сварных соединениях изделий из низкоуглеродистых и ряда
низколегированных сталей дефекты сплошности (непровары подрезы трещины
цепочки пор) ориентированы вдоль продольной оси шва. При магнитографическом
контроле рекомендуют такие соединения намагничивать в поперечном
направлении т.к. вектор напряженности внешнего поля в этом случае будет
ориентирован перпендикулярно направлению распространения дефектов и их
выявляемость поэтому будет наилучшей 1.
При намагничивании сварного соединения в поперечном направлении
выпуклость шва создает значительную неоднородность поля в зоне контроля.
Объясняется это тем что на его выступающей поверхности образуются
магнитные полюсы которые создают в шве и его окрестностях поле
направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина В и больше высота С
валика шва тем слабее намагничен шов. Особенно малая индукция в плоскости
симметрии шва. Поэтому выявляемость дефектов расположенных в указанном
сечении шва наихудшая. Расчетным и экспериментальным путем было показано
что при неизменном значении напряженности намагничивающего поля одинаковым
значениям обобщенного параметра шва (=ВС всегда соответствуют одинаковые
значения напряженности поля в плоскости симметрии шва. Это значит что
предварительный режим намагничивания при магнитографическом контроле
необходимо устанавливать в зависимости от ( 5.
Чувствительность магнитографического контроля сварных соединений
зависит не только от величины поля дефекта но и от его градиента. При этом
влияние размеров валика шва на чувствительность метода наиболее точно можно
учесть с помощью обобщенного параметра R0=B28C - радиуса кривизны валика
шва в плоскости его симметрии. Чем меньше R( тем ниже чувствительность
контроля сварных соединений 6.
На магнитную ленту в процессе магнитографического контроля стыковых
сварных соединений (при поперечном намагничивании) записывается в основном
суперпозиция магнитных полей следующих видов: тангенциальные составляющие
внешнего намагничивающего поля H(о поля изделия (без валика шва) Н(и поля
валика шва Н(v и поля дефекта Н(d. Полями обусловленными термическими
неоднородностям неоднородностями химического состава и чешуйчатостью при
контроле сварных соединений изделий из низ-
коуглеродистых и низколегированных сталей выполненных автоматической
сваркой под флюсом можно пренебречь. Тангенциональная составляющая поля
дефекта с увеличением глубины его залегания претерпевает не только
количественное но и качественное изменение. Начиная с некоторой глубины
залегания дефекта H(d из колоколообразной трансформируется в двугорбую
максимумы которой смещаются к краям валика шва. Это обуславливает появление
в шве областей качественно разной выявляемости дефектов 5.
Повышение чувствительности метода обусловлено увеличением индукции в
контролируемых сечениях шва вследствие более высокой напряженности поля в
зоне контроля создаваемого концентраторами магнитной индукции.
Указанные недостатки во многом устраняются а чувствительность
контроля сварных швов значительно повышается если концентраторы магнитной
индукции расположить на высоте С+( от поверхности контролируемого изделия
на расстоянии друг от друга равном ширине шва где С - высота валика шва
( ( (4мм 89. При этом вследствие того что на валик шва воздействует
неоднородное дополнительное подмагничивающее поле (у середины шва сильнее
чем у краев) шов в поперечном направлении оказывается намагниченным более
равномерно. Это приводит к повышению достоверности метода.
С уменьшением расстояния между концентраторами магнитной индукции
создаваемая ими напряженность поля вначале возрастает достигая
максимального значения при l=4..5 мм а затем убывает. При описанном выше
способе магнитографического контроля максимальное значение напряженности
намагничивающего поля ограничивается шириной шва: если расстояние между
рабочими гранями концентраторов магнитной индукции будет меньше чем ширина
шва то на сигналограмме будут наблюдаться помехи величина которых может
превосходить сигналы от недопустимых дефектов. В 7 предложено
расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции в
намагничивающем устройстве установить 6 - 8 мм а при контроле судить
только о качестве участка шва находящегося в плоскости симметрии валика и
его окрестностях ((2мм) т.к. по статистическим данным около 90 % дефектов
сплошности располагается в плоскости симметрии шва. О качестве остального
шва можно судить и по результатам традиционного способа магнитографического
контроля : шов у краев намагничен обычно достаточно для уверенного
обнаружения дефектов.
В 8 предлагается концентраторы магнитной индукции расположить
на расстоянии 4 ( 5 мм друг от друга и перемещать вместе с намагничивающем
устройством вдоль шва ориентируя ось симметрии подмагничивающей системы
под углом не более 10° к продольной оси шва. Магнитную ленту необходимо при
этом располагать с обратной стороны шва. В этом случае
могут обнаруживаться непровары величиной 5 % и более от толщины основного
Описанные выше способы магнитографического контроля предназначены для
обнаружения протяженных дефектов в шве (трещин непроваров подрезов
цепочек пор). Чувствительность метода при этом максимальна т.к. вектор
напряженности намагничивающего поля перпендикулярен направлению
распространения дефекта. Локальные дефекты (одиночные поры шлаковые
включения) не имеют такой преимущественной ориентации: в плоскости изделия
они имеют округлую форму. Чувствительность контроля реальных сварных швов
на наличие таких дефектов составляет 80 ( 100 %.
Повысить чувствительность контроля швов на наличие пор и шлаковых
включений можно если шов намагнитить под углом к его продольной оси 9.
При этом вследствие снижения размагничивающего фактора сварной шов
окажется намагниченным значительно сильнее. Максимальная амплитуда сигнала
обусловленного дефектом будет иметь место если ленту считывать вдоль
линии намагничивания.
Для реализации этого способа 10 необходимо чтобы материал магнитной
пленки служащей индикатором обладал высокой магнитооптической
добротностью при необходимых величинах других магнитных парамет-
ров пленки таких например как намагниченность анизотропия коэрцитивная
сила и т.д. Такое сочетание требований исключает возможность применения
широкого разнообразия магнитных материалов для приготовления индикаторных
пленок. Кроме того этот способ достаточно чувствителен только к нормальной
компоненте магнитного поля. Как то так и другое ограничивает возможности
способа основанного на использовании индикаторной пленки.Для отстройки от
помех обусловленных валиком шва и поверхностными неровностями в 11
предложен следующий способ магнитографического контроля. После
намагничивания сварного шва постоянным магнитным полем (при этом на ленту
запишутся как полезные поля так и помехи) необходимо произвести повторное
намагничивание сварного шва и ленты магнитным полем не проникающим глубоко
в металл шва и вызывающим образование помех обусловленных только валиком
шва и полей от поверхностных дефектов. При повторном намагничивании
направление вектора напряженности поля противоположно первоначальному а
рается такой чтобы компенсировать помехи за счет наложения их полей.
Метод магнитографического контроля характеризуется также низкой
разрешающей способностью: цепочку локальных дефектов трудно отличить от
непровара переменной величины. Для повышения разрешающей способности метода
в 12 предложено контролируемый объект намагничивать вдоль направления
распространения цепочки пор во многих случаях ориентация дефектов
известна) а считывание записи с ленты осуществлять вдоль линии
намагничивания. При этом разрешающая способность метода возрастает 10 ( 40
раз удается различить две находящиеся под краской или заполненные шлаком
поры наружной поверхности даже в том случае если они перекрываются.
Повышение разрешающей способности метода в этом случае можно объяснить
следующим. При режимах обеспечивающих высокую чувствительность метода
поля локальных дефектов оказываются вытянутыми в направлении
перпендикулярном вектору напряженности поля. Линии равных значений
тангенциальной составляющих полей пор и шлаковых включений имеют вид
эллипсов большие оси которых ортогональны направлению намагничивания.
Одним из путей повышения чувствительности контроля является от-
стройка от помех обусловленных валиком шва поверхностными неровностями и
структурными неоднородностями контролируемого объекта. Например от помех
обусловленных валиком шва и краями ленты можно отстроиться если применить
две совмещенные магнитные головки с дифференциальной схемой включения
обмоток 13. При набегании на край ленты в головках будут индуцироваться
практически одинаковые сигналы (из-за близости расположения головок друг от
друга) которые на выходе можно исключить путем встречного включения
Недостаток – двухканальная дифференциальная головка регистрирует лишь
локальные дефекты либо начало и конец протяженного.
В современных дефектоскопах от помех обусловленных краями магнитной
ленты отстраиваются электронными устройствами. Основным узлом устройства
является линейный селектор времени пропускающий сигналы на индикатор
только в те моменты когда считывающая магнитная головка пробегает над
средней частью ленты 14.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является
способ 15 в котором индикатором является магнитная пленка входящая в
состав магнитодоменного преобразователя размещаемого на поверхности
контролируемого изделия. Магнитное состояние пленки задается результирующим
магнитным полем составляющими которого являются внешнее
магнитное поле (генерируемое устройством контроля) и поля рассеяния
исследуемого объекта при этом магнитное состояние пленки регистрируется
магнитооптическим методом а дефектность изделия определяется из анализа
магнитооптического сигнала при сканировании магнитодоменным
преобразователем поверхности изделия.
Известен способ магнитографического контроля 16 где на изделие
укладывают магнитную ленту однократно намагничивают ее совместно с
изделием в поперечном длине ленты направлении магнитным полем величину
напряженности Hо которого определяют по эмпирическим таблицам учитывающим
магнитные свойства ленты толщину изделия и другие факторы снятую с
изделия ленту сканируют построчно в поперечном ее длине направлении
индукционной головкой сигнал головки подают на осциллограф и о наличии
дефектов судят по изображению на экране. Способ применяется для контроля
изделий сварных швов и пр. толщиной до 20-25 мм и должен обеспечивать
выявление дефектов в 5-10% и более от толщины стенки.
Недостатком способа 16 является трудность выбора значения Hо
оптимального для выявления всех возможных дефектов. Действительно значение
Hо достаточное для выявления наружных дефектов (НД) не позволяет
обнаружить глубоколежащие внутренние дефекты (ВД); в свою очередь в полях
Hо достаточных для выявления ВД сигнал НД может резко уменьшиться. На
практике ориентируются на выявление наименьших недопустимых дефектов на
внутренней для ленты стенке изделия причем такими дефектами служат
Известен способ выбора оптимального значения Hо по величине магнитной
индукции в металле изделия 16 соответствующей максимуму производной от
магнитной проницаемости материала по магнитной индукции. Недостатком
способа является выбор значения Hо с точки зрения оптимальной индукции поля
в металле а не учета магнитных свойств ленты; способ выбора последних
здесь отсутствует. В итоге поле дефекта будет создано но из-за неверного
выбора ленты на ней может не записаться или записаться не оптимально.
Известен способ магнитографического контроля 16 где с целью
снижения собственных шумов ленты и повышения точности контроля уложенную на
изделие ленту намагничивают вместе с изделием до насыщения ленты в одном
направлении а затем в противоположном направлении до величины поля равной
величине релаксационной коэрцитивной силы ленты.
Способ 16 имеет недостатки: требует двукратного намагничивания
изделия что снижает производительность контроля; в нем не указаны маг-
нитные характеристики ленты и для низкокоэрцитивных лент поле Hо
соответствующее величине релаксационной коэрцитивной силы ленты может быть
недостаточным для выявления ВД.
Известен способ неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных
материалов 17 заключающийся в том что к контролируемому участку
предварительно намагниченного изделия прикладывается магнитная лента далее
с нее считывается магнитограмма по которой затем выявляется наличие
дефекта и определяется его местонахождение.
Для уверенного обнаружения дефектов создающих поля рассеяния
совпадающие с краем валика шва в 18 предложено дополнительно проводить
контроль при режиме 02НС(Н(((04НС где НС – коэрцитивная сила ленты. При
этом помехи обусловленные валиком шва не создают магнитного контраста
записи на ленте т.к. в этом случае магнитная лента работает на участке
обратимого намагничивания.
В 19 на ленту перед укладкой на изделие воздействуют полем заданной
напряженности направление которого совпадает с рабочим а величина равна
сумме внешнего поля и поля рассеяния от наибольшего допустимого дефекта.
В 20 для повышения достоверности контроля за счет определения его
раскрытия изделие намагничивают дважды регистрируя поле дефекта при
различных значениях напряженности поля.
Известен способ использующий продольное намагничивание который может
быть применён при контроле качества сварных швов из низкоуглеродистых
ферромагнитных материалов. Целью изобретения (рисунок 4.1) является
повышение чувствительности и достоверности контроля за счёт исключения
размагничивающего действия валика шва помех от краёв валика усиления шва
и более равномерного распределения магнитного поля по сечению
контролируемого шва.
Рисунок 4.1 – Намагничивающее устройство для продольного
Способ контроля состоит в том что намагничивают сварной шов с
прилегающей околошовной зоной считывают топографию магнитного рельефа
контролируемого участка и по магнитограмме определяют наличие дефектов. С
целью повышения чувствительности и достоверности определения дефектов
округлой формы намагничивание осуществляют вдоль шва а величину
намагничивающего поля выбирают в диапазоне 50–90 Асм.
Также существует намагничивающее устройство для реализации
вышеописанного метода. Преимущественно может быть использовано при контроле
сварных швов выполненных автоматической сваркой под флюсом нефте- и
газопроводов цистерн резервуаров на наличие пор шлаковых включений а
так же поперечных трещин. Намагничивающее устройство содержит установленный
на колёсах электромагнит с П-образным сердечником полюса которого имеют в
средней части проёмы (рисунок 4.1). С целью повышения чувствительности
контроля сварных швов высота проёмов выполнена в пределах (05 – 10)h
где h – высота полюса электромагнита.
Анализ литературных источников включая патенты на изобретения
показал что целесообразно производить раздельный контроль сварных швов на
наличие протяжённых и локальных дефектов. В первом случае сварной шов
необходимо намагничивать в поперечном направлении используя при
неблагоприятных размерах выпуклости шва концентраторы магнитной индукции
во втором случае – в продольном направлении считывая запись с ленты вдоль
направления её остаточной намагниченности.
Анализ литературных источников с целью разработки или модернизации
оборудования для контроля
При магнитографической дефектоскопии изделий из ферромагнитных
материалов используют специальные намагничивающие устройства
подразделяющиеся на подвижные и неподвижные.
Первоначально для поперечного намагничивания контролируемых объектов с
толщиной стенки до 12 мм использовали дисковые магниты. Их основными
недостатками являлись значительные потери (“растекание”) магнитного потока
вследствие малой площади контакта полюсов с поверхностью контролируемого
изделия что заметно ухудшало условия образования и выявления полей
Подвижные намагничивающие устройства получили наиболее широкое
распространение для контроля протяженных сварных швов. Устройство состоит
из двух удлиненных стальных полюсов скрепленных стальными сердечниками на
которых размещены катушки.
Стальной каркас с катушками опирается на четыре колеса из немагнитного
материала. Последние расположены таким образом что при установке
намагничивающего устройства на контролируемое изделие между его
поверхностью и полюсами образуется воздушный зазор который позволяет легко
перемещать устройство для намагничивания по данной поверхности хотя и
вызывает дополнительные потери магнитного потока что снижает значение
магнитной индукции в изделии и ухудшает выявление дефектов. Для уменьшения
рассеяния магнитного потока в намагничивающем устройстве применяют
ферромагнитные колеса 1.
Для создания большого магнитного поля в шве исключения помех
предложено устройство обладающее подмагничивающими пластинками
образующими рабочий зазор перемещаются по контролируемой поверхности таким
образом что направление движения и продольная ось зазора составляют
заданный угол отличающийся тем что с целью повышения чувствительности
при контроле стыковых сварных швов электромагнит перемещают вдоль шва и
ориентируют его таким образом чтобы противоположные точки пластин
образующих зазор располагались на границе шва 21.
С целью исключения влияния воздушного зазора на величину индукции в
контролируемом сечении создано намагничивающее устройство “шагун” которое
перемещаясь вдоль сварного стыка шаг за шагом позволяет его намагничивать
до высокой индукции 1.
“Шагун” представляет собой электромагнит с фасонными полюсными
наконечниками подвешенный к раме тележки посредством рессор. Сила упругой
деформации последних превышает притягивающую силу электромагнита и дает
возможность отрывать его полюсы от поверхности проверяемого изделия после
отключения намагничивающего тока. При контроле “шагун” удерживается на этой
поверхности в любых пространственных положениях с помощью силы притяжения
создаваемого небольшим постоянным током в обмотке электромагнита.
Устройства типа “шагун” не исключают “растекание” магнитного потока в
изделии и имеют значительную массу 21.
Для повышения чувствительности контроля разработано намагничивающее
устройство включающее П-образный электромагнит и дополнительный
подмагничивающий электромагнит установленный в межполюсном пространстве
основного электромагнита 22.
Основные недостатки – громоздкость и затруднённый подход к сварному
Предложено намагничивающее устройство предназначенное для поперечного
намагничивания сварных швов.
Устройство имеет две направляющие которые направляют намагничивающее
устройство вдоль намагничиваемого шва.
Для обнаружения протяжённых дефектов намагничивание шва целесообразно
осуществлять цепочкой электромагнитов перемещаемых вдоль сварного шва с
помощью ферромагнитных роликов. Это позволяет уменьшить растекание
магнитного потока в изделии и повысить чувствительность контроля вследствие
увеличения индукции в контролируемом сечении объекта.
Устройство для намагничивания шва с целью обнаружения локальных
дефектов рационально выполнить в виде одиночного электромагнита полюсы
которого содержат проёмы глубиной не менее 50 мм для прохождения в них шва
с уложенной на его поверхность магнитной лентой при перемещении устройства.
Компоновка расчёт и разработка оборудования для контроля
Для последующего расчёта электромагнита намагничивающего устройства
необходимо знать оптимальное значение индукции в контролируемом сечении
1 Определение оптимального режима намагничивания при
магнитографическом методе контроля ферромагнитых изделий.
Расчёт выполним по методике изложенной в 23.
Расчёт начинается с построения кривой намагничивания материала
контролируемого изделия B=f(H) (рисунок 6.1). Данные для построения кривой
намагничивания берутся из таблицы 23.
Рисунок 6.1 – Кривая намагничивания материала изделия
Используя данные построенной кривой строим зависимость [pic] (рисунок 6.2).
Рисунок 6.2 – Зависимость [pic] от индукции в контролируемом сечении
Расчет оптимального режима сводится к отысканию максимального
приращения производной на падающей (правой) ветви данной кривой.
Максимальное приращение производной [pic]([pic]( и находится в месте
перегиба кривой функции ((В) на ее ниспадающей ветви (в этой точке
По приближенным формулам определяют [pic]([pic]( и [pic]2([pic](2
используя значение ( нисходящей ветви кривой ((В) для точек Вi(h2 и Вi(h.
где h – шаг выбора значения .
Оптимальному режиму намагничивания соответствует минимум функции
[pic]([pic]( (рисунок 6.3) и точка пересечения графика функции
[pic]2([pic](2 с осью абсцисс (рисунок 6.4).
Рисунок 6.3 – Зависимость [pic]([pic]( от индукции в контролируемом
Рисунок 6.4 – Зависимость [pic]2([pic](2 от индукции в контролируемом
Полученное значение Вопт р=15 Тл является расчётным и ниже значения
полученного экспериментально на 10 20%. Учитывая это получаем
оптимальный режим намагничивания Вопт э=165 Тл.
Графики изображённые на рисунках 6.1-6.4 также приведены на чертеже
2 Расчёт устройства для намагничивания изделия в процессе магнитного
Расчёт выполним по методике описанной в 21.
Целью расчёта является определение намагничивающей силы IW устройства
для создания в изделии необходимой индукции где I – ток в обмотке W –
число витков обмотки электромагнита.
Размеры намагничивающего устройства выбираем конструктивно учитывая
что толщина полюсов электромагнита должна быть в 2-3 раза больше толщины
стенки намагничиваемого изделия.
Исходя из задания толщина стенки контролируемого изделия b=6 мм
выбираем толщину полюсов электромагнита d=18 мм. Расстояние между полюсами
электромагнита L=100 мм высота h=150 мм длина C=200 мм (рисунок 6.5).
Расчётная схема электромагнита эквивалентная электрическая схема
графики изображённые на рисунках 6.5-6.11 также представлены на чертеже
Рисунок 6.5 – Расчётная схема электромагнита
Рисунок 6.6 – Эквивалентная электрическая схема электромагнита
Из закона Кирхгофа следует:
где Hi li – падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи
Рассматриваем сумму падений магнитных напряжений в изделии Uu в
зазорах Uy и в магнитопроводе Uп:
где L – длина средней линии изделия;
d – толщина полюсов;
Фи – магнитный поток в изделии;
b – толщина изделия.
Строим кривую намагничивания материала изделия (рисунок 6.5).
Используя выражения (6.5) по 6-8 значениям Hu и Bu взятым с кривой
намагничивания строим зависимость Uu = f(Фu) а затем зависимость Uу =
f(Фu) в той же системе координат (рисунок 6.7).
Вычисляем падение магнитного напряжения в зазорах:
где H0 – напряжённость поля в зазоре;
– толщина суммарного зазора равная 1 мм.
Рисунок 6.7 – Зависимость магнитных напряжений в зазоре Uy и в изделии
Uu от магнитного потока в нём
Затем строим кривую падения магнитного напряжения в магнитопроводе в
зависимости от потока в нём Un=f(Фn) (рисунок 6.8).
где Фп – магнитный поток в магнитопроводе.
Рисунок 6.8 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от
магнитного потока в нём
Значение Вn и Нn определяют по кривой намагничивания материала
магнитопровода. Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от
магнитного потока в нем представлена на рисунке 6.8.
Чтобы пересчитать Un в зависимости от Фn запишем уравнение Кирхгофа
для точки М эквивалентной электрической схемы на рисунке 6.2.2.
где F – магнитный поток рассеяния шунтирующий изделие и переходный
Так как отношение потоков Фu и F обратно пропорционально магнитным
сопротивлениям (Ru+Ry) и RF то:
где RF – магнитное сопротивление потока рассеяния между полюсами
где GF – проводимость участка между параллельными призмами (полюсами
намагничивающего устройства).
hF=150-18=132 мм=0132 м
=431410-7=125610-6 Гнм
Из 6.8 и 6.9 получаем:
Bu Hu – индукция и напряжённость в изделии соответствующие
оптимальному режиму намагничивания.
Путем пересчета с использованием формулы (6.13) из последнего графика
получают зависимость Un = f(Фu) (рисунок 6.9). Затем суммируя Uu Uy Un
получают зависимость U( = f(Фu) (рисунок 6.10). Зная сечение изделия
строят вторую ось (Вu) т.е. аналогичную зависимость U( = f(Вu) где
Рисунок 6.9 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от
магнитного потока в изделии
Рисунок 6.10 – Зависимость суммарного магнитного напряжения в
магнитопроводе от магнитного потока и индукции в изделии
Зная значение Вопт=165 Тл в контролируемом сечении определяем U1 по
Затем с учетом коэффициента заполнения Кз = 04 и площади S окна
занимаемого всеми витками катушки определяем число витков обмоточного
провода для каждого случая диаметра проволоки задаваясь его диаметром d=1;
S=0801(015-0018)=0011 м.
Затем определяем величину тока в катушке по известным намагничивающей
силе и числу витков катушки для каждого случая диаметра провда:
Для учёта того что в сварном соединении присутствует усиление шва
увеличиваем ток в 6-8 раз. Получаем:
Определяем электрическое сопротивление обмотки:
где lср – средняя длина витка провода в катушке
( – удельное электрическое сопротивление равное 00054 Омм.
Определяем потребляемую мощность:
Так как потребляемые мощности одинаковы при разном диаметре провода
то выбираем диаметр проволоки исходя из приемлемого числа витков катушки:
Расчётным путём определено оптимальное значение магнитной индукции в
контролируемых сечениях объекта Bопт=165 Тл. На основе полученных
расчётов и литературы определены параметры электромагнита намагничивающего
устройства: число витков провода диаметром 2 мм – 1350 сечение полюса
Описание устройства для контроля и принципа его действия
Установка состоит из одиночного электромагнита лентопротяжного
механизма состоящего из расходной и приемной кассеты электродвигателя
осуществляющего привод установки и вращение приемной кассеты.
Контроль осуществляется в следующей последовательности. Полотнище
подается на позицию контроля. У начала и конца шва укладываются
технологические пластины они обеспечивают равномерное намагничивание
начала и конца шва. Установку устанавливают непосредственно на объект
контроля так чтобы сварной шов с уложенной на его поверхности магнитной
лентой располагался в полюсных проёмах электромагнита.
При движении установки по объекту происходит намагничивание сварного
соединения а информация о результатах контроля сварного шва записывается
на магнитную ленту. Магнитная лента при движении намагничивающего
устройства перемещается из расходной кассеты в зону контроля.
Самораскручивание ленты из кассеты исключается использованием тормоза.
Для предотвращения обрыва ленты привод накопительной кассеты осуществляется
через резиновый пассик обеспечивающий уменьшение угловой скорости вращения
кассеты при увеличении диаметра намотанной катушки ленты.
Установка при движении по объекту производит намагничивание его и
информация о результатах контроля сварного шва записывается на магнитную
Разработано устройство для магнитографического метода контроля швов на
наличие локальных дефектов содержащее электромагнит постоянного тока
полюсы которого содержат проёмы для прохождения в них шва с уложенной на
него магнитной лентой установленный на ферромагнитных роликах механизм
перемещения электромагнита и магнитной ленты приспособление для прижатия
Устройство позволяет намагничивать сварное соединение в продольном
направлении в процессе перемещения вдоль шва осуществлять перемотку
магнитной ленты из расходной кассеты в приёмную со скоростью движения
устройства осуществлять прижим ленты к контролируемому шву.
Разработка методики контроля
Произвести визуально-измерительный контроль сварного шва. Шов
осматривается визуально на наличие видимых дефектов: трещин дефектов
нарушения сплошности. Шов должен соответствовать требованиям ГОСТ 8713-79
или другому нормативно-техническому документу утвержденному в
установленном порядке. С поверхности контролируемых сварных швов и
околошовных зон должны быть удалены грязь и другие посторонние наслоения
затрудняющие плотное прилегание магнитной ленты и ухудшающие условия
магнитной записи на ней полей дефектов.
Размагнитить магнитную ленту при помощи дросселя.
Поместить магнитную ленту типа И4701-35 в расходную кассету.
Выбор магнитной ленты произведён в соответствии с методикой указанной
Вначале определяем напряжённость поля требуемую для получения Bопт
используя кривую намагничивания Hтр=5600 Ам.
Рисунок 8.1 – Характеристика магнитной ленты
Так как составляющая вектора напряжённости поля параллельная границе
раздела сред имеет по две стороны границы одинаковые значения а
ферромагнитный слой ленты находится практически у самой поверхности
то на ленту в её плоскости воздействует поле напряжённости Hтр.
По таблице в 19 выбираем магнитную ленту типа И4701-35 с
коэрцитивной силой Hс=8000 Ам для которой Нс наиболее близко к Hтр.
Установить кассету на оси устройства и протянуть магнитную ленту в
межполюсном пространстве намагничивающего устройства ферромагнитным слоем
Закрепить ленту в накопительной кассете.
Подвести установку к объекту контроля.
Осуществить привязку магнитной ленты к объекту контроля (отметить
начало шва номер изделия).
При контроле использовать технологические пластины представляющие
собой продолжение полотнища по которому двигается устройство и
устанавливаются у начала и конца шва.
Технологические пластины изготовлены из того же материала и такой же
толщины что и контролируемое изделие
Произвести настройку магнитографического дефектоскопа по эталонной
Осуществить запись магнитограмм.
Считать запись с ленты.
Отметить но объекте контроля места соответствующие недопустимым
Разработанные устройства и методика позволяют обнаружить в сварных
швах поры и шлаковые включения глубиной более 25% от толщины
контролируемого изделия.
Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Метрологическим обеспечением называют установление и применение
научных и организационных основ технических средств правил и норм
необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.
Для настройки чувствительности дефектоскопов используются
испытательные образцы и контрольная магнитограмма. Испытательные образцы
служат для изготовления контрольных магнитограмм.
Испытательные образцы должны быть изготовлены для каждой толщины
объекта контроля и марки стали листов качество которых подлежит контролю
магнитографическим методом. Если на данном объекте контроля применяются
металлические листы различной поставки но из стали с одинаковыми или
близкими структурами химического состава и магнитного свойства то
изготавливается один общий испытательный образец для полотнищ из этих
сталей с одинаковой толщиной.
Глубину искусственных дефектов выбирают равной минимальному
браковочному уровню для заданной толщины объекта контроля в соответствии с
требованиями СНиП Ш-42-80. На поверхности испытательного образца должны
быть отмечены краской расположение и границы участков имеющих дефекты с
указанием вида и величины этих контрольных дефектов. Каждый испытательный
образец должен быть проверен и принят комиссией.
Контрольная магнитограмма служит для настройки чувствительности
Контрольные магнитограммы записывают на испытательных образцах путем
намагничивания их теми же устройствами и при тех же режимах которые
применяются для контроля полотнищ.
Для изготовления контрольной магнитограммы используют магнитную ленту
того же типа что и при неразрушающем контроле изделий. При каждой смене
партии магнитной ленты должна быть изготовлена новая контрольная
магнитограмма из новой партии ленты. На магнитограмме должны быть отмечены
- границы участков с указанием вида и величины дефектов;
- толщины основного металла и испытательного образца;
- режим намагничивания.
Используют один и тот же магнитографический дефектоскоп с несколькими
намагничивающими устройствами. Записывают контрольную магнитограмму и
настраивают чувствительность магнитографического дефектоскопа. При
настройке чувствительности дефектоскопа фиксируют амплитуду сигнала от
контрольного дефекта являющуюся браковочным уровнем. Если амплитуда
сигнала обусловленного дефектом в контролируемом изделии превышает
браковочный уровень то дефект считают недопустимым. Настройку
чувствительности магнитографического дефектоскопа следует проводить перед
каждым началом работы с ним.
Мероприятия по охране труда
Работу по магнитографическому контролю следует вести в соответствии
- СниП Ш-4-60 “Техника безопасности в строительстве”;
- “Правил техники безопасности при производстве металлических
Магнитографический контроль должно выполнять звено из двух
дефектоскопистов или из дефектоскописта и его помощника.
При использовании магнитографических дефектоскопов и
намагничивающих устройств выполняют требования электробезопасности в
соответствии со следующими нормативными документами:
- ГОСТ 12.1.013 – 78;
- ГОСТ 12.1.019 – 79;
- “Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок
потребителей” (М. Энергия 1970).
При необходимости проверки напряжения электротока на клемах
намагничивающего и воспроизводящего устройств следует пользоваться только
специальными приборами (указателем напряжения или контрольной лампой).
Требования пожарной безопасности соблюдать в соответствии с ГОСТ
Все лица участвующие в проведении магнитографического контроля
сварных стыков металлических листов должны периодически проходить
инструктаж по технике безопасности с регистрацией в специальном журнале.
Проанализировав существующие методы контроля и основываясь на том
что выбранный метод должен обеспечивать высокую чувствительность
достоверность контроля производительность удобство в эксплуатации и
наглядность приходим к выводу что наиболее приемлемым методом контроля
сварного шва полотнищ является магнитографический так как он обладает
высокой чувствительностью производительстью позволяет судить о размерах
обучловленных поверхностными неровностями и структурными неоднородностями
Для обнаружения протяжённых дефектов намагничивание шва
целесообразно осуществлять цепочкой электромагнитов перемещаемых вдоль
сварного шва с помощью ферромагнитных роликов. Это позволяет уменьшить
растекание магнитного потока в изделии и повысить чувствительность контроля
вследствие увеличения индукции в контролируемом сечении объекта.
контролируемых сечениях объекта Bопт=165 Тл. На основе результатов
расчётов и рекомендованной литературы определены параметры электромагнита
намагничивающего устройства: число витков провода диаметром 2 мм – 1350
сечение полюса 200х18 мм.
Разработано устройство для магнитографического метода контроля швов
на наличие локальных дефектов содержащее электромагнит постоянного тока
установленный на ферромагнитных роликах механизм перемещения
электромагнита и магнитной ленты приспособление для прижатия ленты
Фалькевич А.С. Магнитографический контроль сварных соединений А.С.
Фалькевич М.Х. Хусанов.– М.: Машиностроение 1966.
Волченко В. Н. Контроль качества сварки. – М.: Машиностроение1975.
Неразрушающий контроль: Практ. Пособие Т2 Под ред. В. В.
Сухорукова. – .М: Высш. шк. 1991. – 283 с.; ил.
Новиков В.А. Исследование магнитографического метода контроля
стыковых сварных соединений с целью повышения его разрешающей способности:
Дис канд. техн. наук: 01.04.11.– Защищена 22.03.85; Утв. 07.08.85;
3272 – Сведловск.1985– 206 с.: ил.
Шарова А.М. Чувствительность магнитографического контроля качества
сварных соединений низкоуглеродистых сталей А.М. Шарова Д.А. Роговин
В.П. Куликов Автоматическая сварка.–1973.–№3.–С.39–42.
А.с. 1797033 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных швов В.А. Новиков В.А. Романов (СССР).– №492802628;
Заявлено16.04.91; Опубл. 23.02.93; Бюл. №7.– 6 с.
А.с. 1672345 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля стыковых сварных швов В.А. Новиков (СССР).– №
1996628;Заявлено 14.12.88; Опубл.23.08.91 Бюл.№31.– 6 с.: ил.
А.с. 1767408 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных соединений В.А. Новиков В.А. Романов
(СССР).–№482948228; Заявлено 28.05.90; Опубл. 07.10.92; Бюл. №37.– 6 с.:
А.с. 1567964 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитного контроля
изделий В.А. Новиков (СССР).– №430174724–21; Заявлено 02.09.88; Опубл.
05.90 Бюл.№20.– 6 с.: ил.
А.с. 564583 СССР МКИ2 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных соединений А.М. Шарова В.П. Куликов В.А. Новиков
(СССР).– № 212065528; Заявлено 02.04.75; Опубл. 05.07.77 Бюл.№25.– 8 с.:
А.с. 1677601 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля В.А. Новиков (СССР).–№ 4630527; Заявлено 02.01.89; Опубл.
09.91 Бюл.№34.– 8 с.: ил.
Козлов В.С. Физика магнитографической дефектоскопии.–Мн.: Наука и
техника 1968.–160 с.: ил.
Козлов В.С. Техника магнитографической дефектоскопии.–Мн.: Вышэйшая
школа 1976.–280 с.: ил.
А.с №433393 СССР МКИ2 G 01N2782 Намагничивающее устройство для
магнитной дефектоскопииБ.А.Алексеев (СССР)-№258109228; Заявлено
04.74; Опубл. 3.02.75 Бюл №23-8с:ил.
А.с. 2097758 РФ МКИ6 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля изделий с поверхностью малой кривизны из магнитомягких сталей
Михайлов С.П.– № 9302689628; Заявлено 1993.05.07; Опубл. 1997.11.27 Бюл.№
А.с. 2160441 РФ МКИ7 G01 N 2785 G01 N 2782 G01 R 3324. Способ
неразрушающего контроля ферромагнитных материалов Беляев Б.А.; Лексиков
А.А.; Макиевский И.Я.; Овчинников С.Г.– № 9811913228; Заявлено 1998.10.21;
Опубл. 2000.12.10 Бюл.№ 232002. : ил.
А.с. 1506346 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля стыковых сварных соединений В.А. Новиков (СССР).–
№423026925–28; Заявлено 27.01.87; Опубл. 07.09.89 Бюл.№ 33.– 6 с.: ил.
А.с. 1534380 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля изделий из ферромагнитных материалов В.А. Новиков Л.В.
Кублицкая Т.М. Киселева (СССР).– №441423425–28; Заявлено 25.04.88; Опубл.
01.90 Бюл.№1.– 6 с.: ил.
А.с. 418786 СССР МКИ2 G01 N 2782. Намагничивающее устройство для
магнитографической дефектоскопии А.М. Шарова Д.А. Роговин В.П. Куликов
(СССР).– №210990128; Заявлено 22.03 72; Опубл. 02.02.73 Бюл. №5.–8 с.:
А.с. 1672345 СССР МКИ3 G01 N2785 Способ магнитографического
контроля В. А. Новиков. №5619996628; заявлено 14.12.88; опубл. 23.08.91.
А.с. 1786418 СССР МКИ3 G01 N2785 Намагничивающее устройство для
магнитографической дефектоскопии В. А. Новикови В. А. Романов.
№486936528; заявлено 21.09.90; опубл. 07.01.93. Бюл. №1 3с.: ил.
Приборы и методы электромагнитного контроля. Методические указания
к курсовой работе для студентов специальности 20 01 02 – “Приборы и методы
контроля качества и диагностики”. – Могилев 2008. – 28с.

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 =

Спецификация Блок преобр.spw

Блок преобразователя
Белорусско-Российский
университет гр.МПК3-061
Преобразователь прямой
Винт М6 х 25 ГОСТ 11738-84
Гайка М8 ГОСТ 5915-70

Готовый курсовой.doc

Неразрушающие методы контроля имеют очень важное значение для
повышения качества и надёжности изделий и материалов в различных отраслях
промышленности республики. Широкое распространение этих методов обусловлено
тем что они позволяют избежать больших потерь времени и материальных
В настоящее время широкое применение на различных машиностроительных
предприятиях и предприятиях энергетики получили ультразвуковые методы
контроля в частности ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими
методами неразрушающего контроля она обладает рядом важных преимуществ:
- высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин;
- возможностью проводить контроль непосредственно в ходе
технологического процесса большой производительностью;
- хорошей возможностью автоматизации контроля.
Возможность автоматизации контроля позволяет разрабатывать и внедрять
в производство различные автоматические комплексы и линии для контроля
изделий в процессе производства. В состав таких комплексов могут входить не
только автоматизированные сканеры и блоки управления ими дефектоскопы но
и персональные ЭВМ. При разработке автоматических устройств широко
применяется интегральная электроника что существенно позволяет снизить
количество применяемых дискретных элементов габаритные размеры блоков
повысить их надёжность и эксплуатационные характеристики.
Одним из действенных резервов повышения качества и надежности
продукции машиностроения и других отраслей является неразрушающий контроль.
Наибольшее распространение за последние двадцатилетие получило
ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами
неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой
чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров
большой производительностью возможностью вести контроль прямо на рабочих
местах без нарушения технологического процесса низкой стоимостью контроля.
Ультразвуковые методы контроля позволяют получить информацию о
дефектах расположенных на различной глубине в различных материалах
изделия и сворных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не
только повышает производительность труда но и позволяет получить
объективную картину качества изделия или сварного соединения подобную
Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных
отраслях народного хозяйства: в энергетике тяжелом и химическом
машиностроении на железнодорожном транспорте в судостроении. Ежегодно
методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров
сварных соединений металлоконструкций десятки тысяч труб сварных
соединений котлоагрегатов сварных стыков рельсов оценивается качество
деталей сосудов и аппаратов высокого давления поковок труб листового
проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами
–дефектоскопистами. От их квалификации теоретической и практической
подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.
Анализ характеристик объекта контроля
В данном курсовом проекте необходимо разработать технические средства и
методику ультразвукового (УЗ) контроля изделия из стали эскиз которого
изображен на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Контролируемое изделие
Контролируемое изделие представляет собой сварное угловое соединение
двух труб (труба в трубу) с разными диаметрами. Данное изделие имеет один
угловой кольцевой односторонний сварной шов. В зоне стыковки труб на торце
трубы наименьшего диаметра производят скос кромок (подготовка под сварку).
В изделии необходимо произвести контроль кольцевого сварного шва
тройника. В общем случае в результате сварки в шве могут образовываться
следующие виды дефектов 1:
Материалом контролируемой детали является низколегированная сталь –
Средний размер зерна металла сталь 10 – 30 мкм.
Акустические характеристики материала сталь 10 приведены в таблице 1
данные взяты из 1 и 3.
Таблица 1 – Акустические характеристики материала сталь 10
Е 109 Па ρ кгм3 cl мс ct мс Z 106 Па·см
Примем тот факт что сварка данного изделия проведена в среде CO2 так
как сварка в CO2 является основным и наиболее распространённым способом
сварки плавлением на машиностроительных предприятиях. Она экономична
обеспечивает достаточно высокое качество швов особенно при сварке
низкоуглеродистых сталей требует более низкой квалификации сварщика чем
ручная позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях.
Наиболее распространена сварка полуавтоматами (как и в рассматриваемом
В процессе сварки может происходить окисление сварочной ванны что
ухудшает механические свойства шва и в первую очередь его пластичность. Для
предотвращения этого процесса в сварочную ванну вводят элементы -
раскислители хорошо взаимодействующие с кислородом. Они выводят в шлак
избыток кислорода.4 При недостаточном выводе кислорода из сварочной ванны
могут образоваться дефекты типа пор и шлаковых включений. Несмотря на
введение раскислителей характеристики пластичности шва получаются ниже
чем при сварке под флюсом или ручной дуговой сварке электродами с основным
покрытием. Низкая пластичность может привести к образованию трещин в шве.
Недостаточный прогрев свариваемого материала может привести к образованию
непровара в корне шва.
Первостепенной задачей неразрушающего контроля является выявление
непригодных к использованию изделий. Задача достаточно сложная сводимая
зачастую к определению наличия в изделии дефектов.
В соответствии с ГОСТ 15467-79 дефектом называется каждое отдельное
несоответствие продукции установленным требованиям.3 В процессе
производства могут возникать различные ситуации приводящие к
незначительным нарушениям технологии обработки что в свою очередь может
привести к появлению дефектов в готовом изделии. Зная какому
производственному процессу подвергается металл при обработке основываясь
на данных статистических наблюдений можно спрогнозировать появление тех
или иных нарушений сплошности.
В соответствии с заданием необходимо обеспечить выявление дефектов
сварки. Качество выполнения сварных соединений в значительной степени
влияет на надёжность и безопасность эксплуатации изделия. Наличие дефектов
в сварных швах может привести к потере прочностных характеристик баллона
утечке хранящейся среды что может повлечь за собой более тяжёлые
последствия вплоть до серьёзной аварии.
Анализируя различные литературные источники можно выделить ряд
классификационных признаков дефектов например по форме расположению в
сварном шве размерам степени влияния на эффективность использования
продукции по причинам образования и др. С точки зрения разработки методики
контроля я считаю важна классификация по месту нахождения дефекта в
сварном шве выделяющая наружные и внутренние также отдельно следует
упомянуть сквозные дефекты.
Наружные дефекты – это дефекты формы шва а также прожоги кратеры
наплывы подрезы и др. В большинстве случаев их можно определить визуально.
К внутренним дефектам относятся поры шлаковые и неметаллические
включения непровары трещины и несплавления которые могут иметь различную
форму и ориентацию.3
Наиболее распространённой на производстве является классификация
дефектов рекомендованная межгосударственным стандартом ГОСТ 30242-97
«Дефекты соединений при сварке металлов плавлением»4 согласно которому
все дефекты делятся на шесть групп. При этом каждый тип дефекта имеет своё
цифровое и буквенное обозначение а в пределах каждой группы существует
своя классификация в зависимости от ориентации дефекта его характера
формы и некоторых других признаков.
В соответствии с ГОСТ 30242-97 трещиной называется несплошность
вызванная местным разрывом шва или околошовной зоны который может
возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок. В 4 говорится
что трещины могут возникать в результате надрыва нагретого металла в
пластическом состоянии или в результате хрупкого разрушения после остывания
металла до более низких температур. Причинами их образования могут быть
неправильно выбранная технология или плохая техника сварки. Трещины
являются наиболее опасным и по существующим правилам контроля недопустимым
Газовой полостью называется полость произвольной формы не имеющая
углов образованная газами задержанными в расплавленном металле. Газовая
полость сферической формы называется порой.4 Поры образуются вследствие
загрязнённости кромок свариваемого металла использования влажного флюса
или отсыревших электродов недостаточной защиты шва при сварке в среде
углекислого газа увеличенной скорости сварки и завышенной длины дуги. При
сварке в среде углекислого газа на больших токах могут образоваться
сквозные поры – так называемые свищи.
Поры в зависимости от их количества размера места расположения и
характера нагрузки воспринимаемой конструкцией оказывают различное
влияние на статическую и вибрационную прочность. При УЗ-дефектоскопии
округлые поры выявляются слабо. Это объясняется тем что их отражательная
способность мала в силу неблагоприятной формы.3
Несплавление согласно ГОСТ 30242-97 характеризуется отсутствием
соединения между металлом сварного шва и основным металлом или между
отдельными валиками сварного шва. Непровар – это несплавление основного
металла по длине шва возникшее в результате неспособности расплавленного
металла заполнить зазор между деталями.
В 3 раскрываются возможные причины образования непроваров ими
являются плохая подготовка кромок свариваемых листов малое расстояние
между кромками листов неправильный или неустойчивый режим сварки и т.п.
Непровары снижают работоспособность соединения за счёт ослабления рабочего
сечения шва. Кроме того острые непровары могут создать концентрацию
напряжений в шве. Наиболее опасны непровары для конструкций работающих при
вибрационных нагрузках.
Низкоуглеродистая сталь применяется в судостроении аппаратах
химической промышленности вагоностроении мостостроении и работает под
давлением при температурах до 450º С. Обладает хорошей свариваемостью.
Дефекты которые необходимо выявить имеют размеры от bmin=15мм до
Анализ современного состояния вопроса проектирования
С помощью акустических методов можно в заготовках и изделиях
изготовленных практически из любых материалов обнаруживать поверхностные и
внутренние дефекты представляющие собой нарушения сплошности
неоднородность структуры дефекты склейки сварки и т.д. Важным
преимуществом акустических методов является возможность их применения для
контроля элементов машин и конструкций в условиях эксплуатации без их
К преимуществам контроля акустическими методами относятся:
высокая чувствительность:
-большая проникающая способность;
-возможность определения места и размеров дефекта;
-высокое быстродействие позволяющее автоматизировать контроль;
-возможность контроля при одностороннем доступе;
-простота и высокая производительность контроля;
-полная безопасность работы оператора и окружающих.
К недостаткам акустических методов контроля относится необходимость
разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей
необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности
контролируемых объектов и наличие мертвой зоны.
В настоящее время применяют следующие методы: теневой резонансный эхо-
импульсный эмиссионный велосиметрический импедансный метод свободных
Теневой (метод сквозного прозвучивания) и зеркально-теневой методы
основаны на уменьшении амплитуды УЗ колебаний вследствие наличия
несплошностей на их пути (рисунок 2.1) 3.
Рисунок 2.1 – Схемы теневого метода УЗ контроля
В теневом методе луч идет прямо от генератора к приемнику через
контролируемый металл. Теневой метод используют в основном для контроля
проката малой и средней толщины некоторых резиновых изделий пластмасс
клееных соединений и т.д. Теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и
слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Но имеются
серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность
оценки координат. Для заданного объекта контроля этот метод не является
оптимальным именно потому что требование двустороннего доступа усложняет
технические средства и процесс контроля затрудняет автоматизацию контроля.
Зеркально-теневой метод отличается от теневого тем что регистрирует
уменьшение УЗ колебаний отраженных от нижней поверхности листа. Зеркально-
теневой метод не требует двустороннего доступа но так как тандем из двух
преобразователей имеет строго заданные размеры то из-за малых размеров
заданного объекта контроля этот метод также не предоставляется возможным
Эхо-импульсный метод основан на отражении УЗ колебаний от несплошностей
(отражателя) причем амплитуда эхо-сигнала пропорциональна площади этого
отражателя (рисунок 2.2). Этим методом контролируют поковки штамповки
прокат литье пластмассы и т.д. Чувствительность эхо-метода высокая: она
достигает 05 мм2 на глубине 100 мм. К преимуществам этого метода следует
также отнести возможность одностороннего доступа. Недостатки – это
сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды
отраженного сигнала от ориентации дефекта.
Рисунок 2.2 – Схемы эхо-импульсного метода
Таким образом этот метод можно применить для контроля заданного
объекта так как он имеет высокую чувствительность и в отличие от
теневого не требует двустороннего доступа что облегчает задачу
автоматизации и упрощает схему прозвучивания.
Резонансный метод основан на возбуждении в изделиях постоянной толщины
незатухающих УЗ колебаний и определении частот на которых имеют место
резонансы этих колебаний. Метод используют для обнаружения дефектов в виде
коррозии или несплошностей металла и измерения толщины листов стенок труб
резервуаров и т.д. Частота при которой возникают стоячие волны т.е.
наступает резонанс зависит от толщины детали и скорости распространения в
ней акустических волн. Но для данного объекта такой метод использовать не
возможно т.к. объект имеет сложную форму.
Метод акустического импеданса заключается в регистрации УЗ колебаний
стержня опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты
изменяют акустический импеданс данного участка изделия что отражается на
амплитуде и частоте собственных колебаний стержня. Кроме того дефект
обычно вызывает и фазовый сдвиг. Импедансный метод позволяет обнаруживать
зоны нарушения жесткой связи между элементами слоистых конструкций:
непроклеи непропаи расслоения неполную поляризацию и т.п. Импедансный
метод чаще всего используют для контроля многослойных конструкций.
Велосиметрический метод связан с регистрацией изменения скорости УЗ
колебаний. Такое изменение имеет место в слоистых конструкциях при
изменении толщины слоя или наличия расслоений. Поэтому этот метод
аналогично импедансному для заданного изделия применяться не может 5.
Метод свободных колебаний основан на анализе частотного спектра или
прослушивании тона акустических колебаний изделий вибрирующих на
собственной частоте. Этот метод позволяет выявлять нарушения жесткой связи
между слоями в слоистых конструкциях а также внутренние дефекты в
массивных изделиях. Но этот метод позволяет определить лишь наличие или
отсутствие дефекта а по исходным данным курсового проекта недопустимыми
являются дефекты лишь с bmin =15мм. Т.е. мы не может определить размер
Метод акустической эмиссии занимает особое место. Можно сказать что
это метод диагностики а не дефектоскопии. Он основан на регистрации
акустических волн излучаемых дефектом при нагружении материала или
конструкции в результате внутренней динамической локальной перестройки его
структуры. Наиболее характерные источники акустической эмиссии это
возникновение и развитие трещин пластическая деформация движение
дислокаций кристаллов и т.п. В заданном объекте нет таких источников
акустической эмиссии поэтому этот метод не имеет применения в данном
Таким образом применимость акустических методов для выявления дефектов
в заданном объекте контроля можно показать таблицей 2.1 .
Таблица 2.1 – Применимость акустических методов для заданного изделия
Внутренние Пористость
Эхо-импульсный +++ +++++
Велосиметрический - -
Метод свободных - -
Принятые обозначения: «-» - метод неприменим для выявления дефектов;
«+» - метод применим дефект выявляется плохо;
«++» - метод применим дефект выявляется удовлетворительно;
«+++» - метод применим дефект выявляется хорошо.
Таким образом проанализировав вышеперечисленные акустические методы
контроля я пришел к выводу что наиболее подходящим методом для контроля
заданного объекта является эхо-импульсный метод контроля.
Сравнительный анализ технических средств ультразвукового контроля
В 5 описывается способ УЗ контроля сварных швов труб и устройство для
его осуществления. Способ УЗ контроля сварных швов труб заключающийся в
том что устанавливают по разные стороны шва наклонные ультразвуковые
излучающий и приемный преобразователи встречно друг другу с углом α наклона
их акустических осей и под углом γ к продольной оси сварного шва излучают
с помощью излучающего преобразователя пучок ультразвуковых колебаний
входящих в трубку под углом принимают прошедшие контролируемый шов
ультразвуковые колебания с помощью приемного преобразователя по величине
амплитуды которых определяют наличие дефектов отличающийся тем что с
целью повышения чувствительности контроля к дефектам типа «игольчатые
поры» пучок УЗ колебаний формируется таким образом чтобы его сечение
соответствовало форме и размерам выявляемого дефекта а углы выбирают из
условия прохождения оси пучка УЗ колебаний посредине толщины
контролируемого сварного шва.
Устройство для осуществления способа ультразвукового контроля сварных
швов труб содержащее корпус с криволинейной контактной поверхностью
соответствующей профилю трубы установленные в ней под углом α γ и к
продольной оси криволинейной контактной поверхности наклонные излучающий и
приемный пьезоэлементы отличающееся тем что с целью повышения
чувствительности и производительности контроля корпус выполнен в виде
многогранной призмы и снабжен диафрагмой выполненной в виде прорезей на ее
боковых гранях на криволинейной контактной поверхности выполнен вырез
соответствующий профилю валика усиления сварного шва трубы а пьезоэлементы
расположены за прорезями.
На схеме реализации способа показана труба 1 со сварным швом 2
излучающий 3 и принимающий преобразователи диафрагма 5 дефекты 6 и 7
цилиндрической формы.
Рисунок 2.3 - Схема реализация способа контроля
Устройство ультразвукового контроля сварных швов труб содержит корпус в
виде многогранной призмы 8 воздушную диафрагму выполненную в виде
прорезей 9 на боковых гранях 10 призмы 8 пьезоэлементы 11
высокочастотный кабель 12 для подключения пьезоэлементов 11 к генератору и
приемнику дефектоскопа (не показаны) контактную поверхность 13 радиус
кривизны которой равен радиусу контролируемой трубы вырез 14 шириной l и
радиусом R на контактной поверхности 13 где R радиус сварного шва c
валиком усиления максимально допустимой высоты для данного типа размеров
труб а l максимально допустимая ширина валика усиления сварного шва для
данного типоразмера труб.
Рисунок 2.4 - Устройство для неразрушающего контроля сварных швов труб
В 5 описано устройство для ультразвукового контроля сварных
швов труб отличающееся тем что с целью повышения производительности
контроля оно снабжено кольцевой рамой охватывающей контролируемую трубу
механизм перемещения кареток выполнен в виде направляющей состоящей из
двух полуколец закрепленных на раме и смещенных друг относительно друга
вдоль трубы на ширину каретки звездочек установленных симметрично по
периметру каждого полукольца с возможностью вращения и замкнутых цепей
взаимодействующих с приводом звездочками и каретками.
Рисунок 2.5 - Устройство для ультразвукового контроля сварных швов
Рисунок 2.6 - Устройство для ультразвукового контроля сварных швов
Устройство для ультразвукового контроля сварных швов труб содержит
раму 1 на которой закреплены два полукольца образующие трубчатую
кольцевую направляющею 2 охватывающую изделие 3 по периметру при этом
установленные в вертикальной плоскости полукольца смещены относительно друг
друга на ширину кареток 4 (для обеспечения свободного перемещения обеих
кареток по трубчатым направляющим). На каретках 4 каждая из которых
размещена на соответствующем полукольце закреплены пневмоцилиндры 5
связанные через шарниры 6 с искателями 7. Механизм перемещения кареток по
периметру контролируемой трубы кроме кольцевой направляющей 2 включает
привод 8 закрепленный на раме 1 и две группы звездочек 9 с замкнутыми
цепями 10 имеющими пальцы 11. Каждая группа звездочек закреплена на
соответствующем полукольце и связана с приводом 8 а пальцы 11 связаны с
каретками 4 через вертикальный паз в рамах 12 этих кареток. Причем
устройство имеет прижимный ролик (не показан) для удержания каретки 4 на
направляющей 2 в нижнем положении (на полукольце).
Устройство работает следующим образом.
С помощью пневмоцилиндров 5 искатели 7 опускают на изделие 3 в
зону сварного шва. Затем приводом 8 осуществляют вращение двух групп
звездочек 9 расположенных на направляющей 2 от звездочек приходят в
движение замкнутые цепи 10. Каждый палец 11 осуществляет перемещение по
замкнутой цепи увлекая за собой соответствующую каретку 4 несущую
искатели 7 причем перемещение пальца 11 в верхней части замкнутой цепи 10
дает движение каретке в одном направлении а по нижней части цепи 10-в
обратном. Таким образом каждая каретка 4 совершает возвратно-поступательное
перемещение по направляющей 2 (по полукольцу) а искатель 7- по изделию 3.
Контроль ведется с перекрытием в местах окончания полуколец.
Для контроля следующего кольцевого шва изделия 3 устройство
перемещают на очередную позицию (при неподвижном изделии 3) предварительно
отведя искатели 7 от поверхности изделия с помощью пневмоцилиндров 5.
Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)
1 Выбор метода контроля
На основании предыдущего раздела курсового проекта можно заключить что
наиболее результативным и применимым будет являться эхо-импульсный метод
контроля т.к. он имеет высокую чувствительность прост в реализации
наиболее соответствует конструктивным особенностям изделия решает именно
поставленную задачу т.е. нахождение недопустимых дефектов. Коэффициент
затухания который имеет данный материал позволяет провести контроль
изделия заданной толщины без значительных потерь и уменьшения
информативности отраженного сигнала.
В соответствии с конструктивными особенностями заданного объекта его
прозвучивание целесообразно будет проводить по схеме показанной на рисунке
Рисунок 3.1.а - Контроль в секторах Б и Г
Рисунок 3.1.б - Схемы контроля углового сварного соединения в разных
Искатели должны иметь стрелу обеспечивающую проведение контроля корня
шва прямым лучом. Для того чтобы убедиться в возможности прозвучивания
корня шва прямым лучом следует перед проведением контроля измерить ширину
шва в секторах А и В. Прозвучивание корня шва прямым лучом возможно если
указанная ширина шва не превышает расстояния между передней гранью искателя
и проекцией зарубки на контактную поверхность испытательного образца.
Если размеры сварного соединения (ширина шва) не позволяют
контролировать корень прямым лучом осуществляют приближение точки ввода
искателя к шву для чего снимают фаску на передней грани призмы. Снятие
фаски следует производить при включенном дефектоскопе вплоть до момента
появления на экране небольшого сигнала отраженного от фаски. Если снятие
фаски не обеспечивает прозвучивание корня шва прямым лучом рекомендуется
применять искатели с углами призмы больше указанных в таблице 3.1
(например 55° вместо 53° 53° вместо 50° 50° вместо 40°).
Угол скоса кромки штуцера меняется от 0 до 30°: в центре секторов А и В
этот угол равен 0° в центре секторов Е и Г - 30°. Ширина усиления в
зависимости от размеров тройника также меняется: в секторах АВ ока может
быть в 15-3 раза больше чем в секторах БГ. Поэтому при попадании прямым
лучом в корень шва и однократно отраженным лучом в усиление шва расстояние
между передней гранью искателя и краем усиления будет неодинаковым в
различных секторах шва.
При контроле угловых сварных соединений о наличии дефектов в сварном шве
судят по результатам измерения координат.
При контроле сварных соединений с толщиной стенки штуцера менее 20 мм
точно измерить координаты не удается поэтому о наличии дефектов в шве
судят по положению искателя относительно края усиления шва. Для этого при
появлении эхо-сигнала в рабочей зоне развертки оператор должен измерить
расстояние от точки ввода искателя до ближней границы усиления шва если
эхо-сигнал на экране расположен вблизи левой границы рабочей зоны
развертки или если эхо-сигнал расположен вблизи правой границы.
Измеренные значения Xj или Хр сравнивают с соответствующими данными.
Совпадение измеренных и табличных значений с точностью -5 свидетельствует о
На внутренней поверхности штуцера после удаления подкладного кольца
могут оставаться мелкие неровности (риски впадины» бугры) которые могут
дать ложные сигналы. Признаком неровностей внутренней поверхности штуцера
является несоответствие положения эхо-сигнала на развертке положению
искателя на поверхности штуцера Так если на экране появляется эхо-сигнал у
левой границы рабочей зоны развертки а искатель при этом находится в
таком. положении луч не может попасть в корень шва то считают что
обнаружена неровность внутренней поверхности.
При контроле сварных соединений с толщиной стенки штуцера 40-50 мм в
центре секторов Б и Г может появляться эхо-сигнал от двугранного угла
внутри трубы. Признаком принадлежности сигнала двугранному углу является
то что сигнал находится на экране у левой границы рабочей зоны развертки
а искатель при этом вплотную притянут к усилению.
Особенностью контроля сварных соединений с неудаленными подкладными
кольцами является наличие в рабочей зоне экрана дефектоскопа эхо-сигнала от
подкладного кольца. Кромки кольца в разных секторах удалены от корня шва на
различные расстояния - наибольшее в секторах БГ и наименьшее в секторах А
и В. Поэтому максимальный эхо-сигнал от кольца в.секторах А и В
обнаруживается при меньших расстояниях от точки ввода до шва а в .секторах
БГ - при больших. В секторах Б и Г сигнал от подкладного кольца может
совпадать с сигналом от двугранного угла трубы 4.
Прозвучивание будет производиться наклонным совмещённым
преобразователем. Сканирование сечения шва осуществляется путём перемещения
преобразователя по наружной поверхности объекта контроля в околошовной
Контроль производят после механической обработки внутренней
поверхности штуцера.
Коэффициент шероховатости при этом должна быть не хуже Rz40 по ГОСТ
89-73. Усиление шва должно быть защищено до снятия грубых неровностей.
Перед проведением контроля следует произвести осмотр
внутренней поверхности штуцера с целью определения качества механической
Для обоснования выбранного метода контроля проведем анализ
акустического тракта.
2 Теоретический анализ акустического тракта
Рассмотрим объект с отражателем в форме диска. Это частный случай
акустического тракта так как для совещенной схемы контроля приемник и
излучатель совмещены.
Зондирующий сигнал с начальной амплитудой давления Р0 дойдя до
дефекта имеет амплитуду
где к11 – коэффициент ослабления в поле излучателя.
Сигнал падающий на дефект с амплитудой Pb создает вторичное поле
ослабляющийся на пути до приемника по законам рассеяния. Дефект в этом
случае играет роль независимого излучателя возбуждающего новый
зондирующий сигнал. На приемник приходит акустический сигнал с
где кb – коэффициент учитывающий ослабление амплитуды сигнала в
поле рассеяния дефекта к2 – коэффициент учитывающий ослабление
амплитуды сигнала в поле приемника.
Рисунок 3.2.а – схема акустического тракта совмещенного
Таким образом совместив полученные выражения (3.2.1) и (3.2.2)
получим выражение зависимости амплитуды акустического давления на
приемнике от амплитуды акустического давления зондирующего сигнала:
где к – коэффициент общего ослабления на пути
излучательдефектприемник.
Задачей расчета является вычисление коэффициента к=РР0 амплитуды
падающей волны. Считая влияние отдельных факторов на амплитуду сигнала
независимым а дефект достаточно большим согласно приближению Кирхгофа
запишем в общем виде выражения для коэффициентов ослабления сигнала в
акустическом тракте:
где D R - функциональные коэффициенты прохождения и отражения на
границе раздела сред; Q – функция описывающая ослабление УЗ – колебаний
на оси УЗ поля; Ф – функция (диаграмма) направленности УЗ – поля; ( –
функция описывающая затухание УЗ колебаний.
Рисунок 3.2.б – схемы обнаружения трещин (1) непроваров (2) и пор (3)
Проанализируем уравнение акустического тракта со следующими
основными документами: в задержке преобразователей распространяются
только продольные волны; при отражении от дефекта рассматривается волна
того же типа что и падающая; линейные размеры дефекта больше длины
падающей на него волны; дефект располагается в дальней зоне
преобразователей а преобразователи – в дальней зоне отраженного поля.
Анализ функции Q1 и Ф выполнен в 2.
где S – площадь мнимой пьезопластины;
– угол наклона призмы.
λ – длина волны ультразвука;
Диаграмма направленности поля излучателя (приемника)
где 2·а’ – диаметр мнимой пьезопластины;
R – волновое число [p
I1 – функция Бесселя первого порядка.
Введем для сокращения записи и упрощения численных расчетов
Функциональные коэффициенты прозрачности D1 и D2 на границе раздела
сред можно заменить – коэффициентом прозрачности по энергии
D1·D2 = (α0) (3.2.10)
Ослабление QB эхо – сигнала можно рассматривать с учетом определения
эффективного поперечника рассеяния
[pic] = 4··(r n·в) 2·QB 2 (3.2.11)
Значения nB и 0 для моделей дефектов в дальней зоне приведены в таблице
Таблица 3.2.а – Характеристики поля рассеяния
Дефект Модель дефекта nB 0
трещина диск 1.0 Sbλ
непровар полоса 0.5 [pic]
Площадь эквивалентного апертуры доскообразного отражателя
SB ’ = SB· cos B = SB· cos (α – φB) (3.2.13)
где SB – действительная площадь отражателя.
Для прямоугольного двугранного уголка при падении луча на одну
из граней под углом α’
где SB – площадь грани.
Таким образом QB для различных моделей дефектов равно:
– для двугранного уголка
Диаграмма направленности поля отражателя в виде диска записывается
Поле излучения отражателей в форме сферы и двугранного уголка можно
представить полем точечного источника поэтому Фв = 1.
Коэффициент отражения для диска
Rв = R(α – φв) (3.2.19)
для двугранного уголка
Rв = R(в)·R(90– в) (3.2.20)
Rв = R(0) = 1. (3.2.21)
Функция затухания является экспонентой с отрицательным показателем
вида r0 где – коэффициент затухания; r0 – длина пути. Для схемы
изображенной на рисунке 3.1 получим
= ехр( – ·r3 – ·r) (3.2.23)
где 3 – коэффициент затухания в материале задержки излучателя;
– коэффициент затухания в материале изделия.
Теоретический расчет акустического тракта сводится к постановке
полученных выражений в выражения (3.2.3 – 3.2.6). При совмещенной схеме
контроля наклонным преобразователем изделия получим:
– для дискообразного дефекта
– для двугранного угла
Расчет и проектирование преобразователя
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. 4.
Для контроля заданного изделия согласно принятой схеме прозвучивания и
сканирования используется наклонный преобразователь.
Основной элемент преобразователя – пьезопластина. В качестве материала
пьезопластины выберем цирконат-титанат свинца ЦТС-19. Сведем его
характеристики в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Параметры пьезокерамики ЦТС-19
Скорость ПлотноХарактеристДиэлектриПьезомодКоэффициент Допус
звука сть ический ческая уль электромехантимая
Тип ClCt 10-8 импеданс постоянна1012 ической темпе
среза 10-3 мскгм3 10-6 я КлН связи ратур
ения 5.033 7 3523 1525(325 200 035-045 Св.29
Его преимущество в том что у него слабы колебания по ширине пластины
которые являются паразитными по отношению к основным колебаниям по толщине
Для эффективного возбуждения пьезопластины необходимо чтобы
собственная частота f толщинных колебаний пьезоэлемента совпадала с
частотой электрических колебаний. Это условие обеспечивается когда
где сп и (п – соответственно длина волны и скорость звука в материале
пьезопластины а соотношение [pic] Пьезопластина параметры которой
удовлетворяют этим требованиям обеспечивает максимальную амплитуду
излученного импульса при прочих равных условиях 3.
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.
При выборе толщины пьезопластины а следует иметь в виду практически
полученное соотношение аf=12 15 мм(МГц.
Выберем исходя из формулы (4.1) толщину пьезопластины учитывая также
что для прямого преобразователя в изделие вводятся только продольные волны.
Таким образом толщину пластины принимаем равной 1 мм.
Для приложения электрического поля на противоположных поверхностях
пьезоэлемента располагают металлические (обычно серебряные или никелевые)
С целью гашения свободных колебаний пьезопластины уменьшения
длительности зондирующего импульса и расширения полосы пропускания с ее
нерабочей частоты приклеивают демпфер 3. Для обеспечения указанных
условий материал демпфера должен обладать акустическим сопротивлением
близким к волновому сопротивлению пластины и большим коэффициентом
затухания. Выполнить одновременно эти условия достаточно сложно. Поэтому
материал демпфера нужно выбирать так чтобы достигался разумный компромисс
этих двух ограничений. В качестве материала демпфера для прямого
преобразователя выберем эпоксидную смолу ЭД-5 с характеристиками
представленными в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Характеристики эпоксидной смолы ЭД-5
Скорость Плотность Удельное Коэффициент
НаполнитМассовая доляультразвукаматериала акустическое затухания
ель наполнителя 10-3 мс 10-3 кгм3сопротивлениепродольных
% 10-6 Па(см волн при
PbO 70 163 285 42 435
Для защиты пьезопластины от истирания и повреждения к ней с рабочей
стороны приклеивают или припаивают протектор. Помимо высокой
износостойкости протектор должен обеспечивать наилучшее прохождение
ультразвука через границу пьезоэлемент-контролируемое изделие и высокую
стабильность акустического контакта 3
Рассмотрим наклонный преобразователь.
С помощью наклонного преобразователя в контролируемое изделие вводятся
поперечные волны. Это обеспечивается благодаря тому что в отличие от
прямого наклонный преобразователь имеет призму (линию задержки) на которую
под определенным углом приклеивается пьезопластина. Пьезоэлемент излучает в
призму продольные волны которые на границе призмы с изделием преломляются
трансформируются и частично отражаются в призму. Для контроля заданного
изделия выбраны поперечные волны. Для того чтобы в изделие вводился только
этот тип волн необходимо чтобы угол призмы находился между первым и
вторым критическими углами. Для уменьшения влияния неоднородных волн
возникающих при критических углах выбирают углы призмы которые на 3 4(
больше первого критического и меньше второго критического.
Расчет пьезопреобразователя начнем с нахождения рабочей частоты.2
Оптимальное значение рабочей частоты можно определить решая задачу
достижения максимальной предельной чувствительности на основе анализа
формул акустического тракта.
Запишем формулу акустического тракта для плоского отражателя при
контроле наклонным преобразователем:
где: rА – путь ультразвука в призме
r – путь луча в изделии.
Для простоты расчетов предположим что диск расположен нормально по
отношению к оси преобразователя (В = 0 = 0 φВ = α α = α0). Согласно
рекомендациям предложенным в 4 для сварных деталей толщиной 12 мм
эффективно применение преобразователя с углом наклона призмы 0 = 50. В
качестве материала призмы выберем органическое стекло (если рабочая
частота будет находиться в пределах 15 – 5 МГц).
Характеристики материала призмы даны в таблице 4.1
Определим угол ввода в объект контроля (смотри рисунок 4.1)
Рисунок 4.1 – Схема контроля
Максимальное расстояние до дефекта в объекте контроля равно:
В выражении (4.1) частота зависимыми являются величинами λ и .
Сталь 10 является мелкозернистой (α > 10D) и коэффициент затухания
определяется формулой
С учетом (5.2) и (5.4) выражение (5.1) примет вид:
Дифференцируем полученное выражение (4.5) относительно f и
приравниваем его к нулю для нахождения максимума.
Примем путь луча в призме r30 =15·103 м а r = rmax = 56·10-3 (м).
Тогда решая уравнение (4.5) численным методом получим fopt = 34 МГц.
Выдерем рабочую частоту из чисел ряда регламентированного ГОСТом fр =
При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов
следует учитывать условие которое определяется следующим выражением:
λ = Ct2 fр 2·Bmin (4.7)
λ = 3230 25·106 = 126·10-3 2·Bmin = 30·10-3 (м)
протяженность ближней зоны характеризующейся неравномерностью
чувствительности по глубине и сечению пучка и следовательно пониженной
вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того увеличение размеров
пьезоэлемента влечет за собой увеличение площади контактной поверхности
что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В
тоже время пьезоэлемент малых размеров не обеспечивая требуемой мощности
излучения обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной
точностью определения координат дефектов вследствие широкой диаграммы
Согласно 4 при пересчете на поперечные волны оптимальные размеры
пьезопластин составляют а·f = 12 15 мм·МГц. Для fr = 25 МГц а = 48 6
мм. Выберем а = 6 мм (радиус пьезопластины). Для её изготовления
используем пьезокерамику ЦТС – 19. Основные характеристики ЦТС – 19
приведены в таблице 4.2
Толщина пластины hп выбирается полуволновой для рабочей частоты fр
на которой ведется контроль
Примем толщину пластины 06 мм.
При конструировании призмы необходимо проверять отсутствие
продольной и поверхностной волны в объекте контроля. Условие отсутствия
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 формуле:
Проверим отсутствие поверхностной волны по условию (4.12):
Таким образом продольная и поверхностная волна в объекте контроля
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’ (см.
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 условии:
Рисунок 4.2 – Расчетная схема преобразователя
Путь центрального луча в призме определяется из условия:
Акустическое поле преобразователя с линией задержки можно
приближенно оценить введением мнимого пьезоэлемента. Расстояние вдоль
акустической оси от точки ввода до мнимого пьезоэлемента вычисляется по
Далее определим параметры ближней зоны и дальней зоны
преобразователя по формулам:
Угол раскрытия основного лепестка
Радиус мнимой пьезопластины вычислим по формуле:
При расчете призмы необходимо учитывать что сигнал в призме не
должен ослабляться более чем на 10 дБ . Ослабление в призме вдоль
акустической оси определяется формулой:
По графикам приведенным в 3 для границы задержка – изделие
(оргстекло – сталь) примем коэффициент прохождения по энергии
Таким образом путь центрального луча в призме должен быть менее 37
Материал демпфера выбираем из 2. Это эпоксидная смола ЭД – 6 с
наполнителем PbO (50%). На частоте 25 МГц он имеет коэффициент затухания
Д = 2810 дБм. Толщина демпфера должна обеспечивать уменьшение амплитуды
ультразвуковых колебаний не менее чем на 60 дБ вследствие затухания.
где: – коэффициент затухания в демпфере;
hд ≥ 60 2810 = 0021 (м).
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 демпфера призмы и корпуса (протектор в нашем
случае применять не будем).
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
Далее пьезопластина заливается эпоксидной смолой с наполнителем
(демпфер). 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
избежании 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 3.
Конструкция наклонного преобразователя представлена на чертеже
Разработка методики контроля и технических средств
1 Выбор частоты УЗ волн
Выбор рабочей частоты ультразвуковых колебаний определяется в основном
коэффициентом затухания и уровнем структурных помех материала объекта а
также его габаритами.
Увеличение частоты способствует повышению разрешающей способности
уменьшению мертвой зоны снижению величины минимально выявляемого дефекта
повышению точности измерения расстояний. С другой стороны это приводит к
возрастанию затухания и уменьшению толщины пьезопластины. Кроме того
ухудшаются условия прохождения волн через поверхность ввода и
увеличивается интенсивность отражения от границы зерен металла. То есть
можно оценить и выбрать оптимальную частоту которая обеспечит наибольшую
чувствительность контроля при минимальных потерях ультразвука. Графики
зависимости отношения РР0 от частоты смотри приложение А
Из формулы (4.2) мы нашли fопт = 32 МГц для наклонного
Выбор рабочей частоты пьезопреобразователя производится из чисел ряда
регламентированного ГОСТом : fр = 2.5 МГц.
2 Выбор типа УЗ – волн и направления их распространения в изделии
Контроль сварных швов в нашей стране производятся в соответствии с
Ультразвуковой контроль обеспечивает выявление почти всех дефектов
дуговой 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).
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
оси распространения волны. Расчет угла ввода был произведен в пункте 4.
угол ввода α = 65. При этом угол преломления больше второго критического
угла 4. Выявление дефектов параллельно лучу УЗ – волн будет затруднено
поэтому прозвучивание целесообразно производить с каждой стороны
привариваемого элемента.
3 Выбор способа контакта
Автоматизированный контроль изделий часто 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.
Выберем в качестве контактной жидкости ингибитор который применяется
для контроля по неокрамленным поверхностям углеродистых сталей. На
практике широко применяют ингибиторный смазочный материал состоящий из
технического нитрата натрия – 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.3
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 галтейные переходы переходы
от выпуклости сварного шва к основному металлу брызги металла сварочный
флюс. Качество подготавливаемой поверхности оценивают по параметрам
шероховатости (ГОСТ 2789 – 73). Оптимальной считается поверхность с
шероховатостью Rz = 20 40 мкм.4
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.
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.
Тогда схема прозвучивания стыкового шва имеет вид (см. рисунок 5.4.а)
Рисунок 5.4.а – схема прозвучивания стыкового сварного ша прямым
Исходными данными для расчета а = 6 мм в = 2 мм h = 12 мм r’ = 6
мм. Угол определяется раскрытием основного лепестка на уровне 06 (3 дБ).
к = Н·tg(α-) = (h + d)·tg(α-) = (h + r’·cos α)·tg(α-)
Тогда подставим (5.3 – 5.5) в (5.2) получим
Из аналогичных соображений построим схему прозвучки однократным
отраженным лучом (см. рисунок 5.4.2)
Рисунок 5.4.б – Схема прозвучивания стыкового сварного шва однократно
Полные схемы прозвучивания сварных швов изображены на чертеже
. Для сканирования сварного стыкового шва используем поперечно –
продольную схему перемещения пьезопреобразователя при одностороннем
доступе. Скорость сканирования примем [pic]
5 Выбор способа регистрации и расшифровка результатов контроля
Амплитуда эхо-сигнала в звуковой дефектоскопии измеряется
относительным методом – сравнением эхо – сигнала от дефекта с каким-либо
опорным сигналом полученным тем же ПЭП от отражателя известной величины и
геометрической формы. Относительный метод измерений весьма удобен на
практике т.к. позволяет полностью отказаться от расчета коэффициента
преобразования электрической энергии в механическую.
Весьма важно унифицировать процесс измерений. Размер дефекта должен
выражаться через какую-то стандартизированную величину воспроизводимую при
любых измерениях. Поэтому в ультразвуковой дефектоскопии в качестве
унифицированной единицы измерения принята эквивалентная площадь
(эквивалентный диаметр) Sэ дефекта которая измеряется площадью дна
плоскодонного отверстия расположенного на той же глубине что и дефект и
дающего эхо-сигнал такой же амплитуды. Аналогично определяется
эквивалентный диаметр.
При измерении эквивалентного размера дефекта по совмещенной схеме
наклонным преобразователем ось плоскодонного отражателя соосна оси пучка.
Применяют два способа измерения эквивалентной площади дефектов: с
помощью образцов и по АРД - диаграммам.
Первый способ состоит в том что эхо-сигнал от дефекта последовательно
сравнивается с сигналами от плоскодонных отверстий различной величины
выполненных на той же глубине что и дефект в тест-образце акустические
свойства и качество поверхности которого точно такие же как в
контролируемом изделии.
Основные преимущества способа – простота и минимум погрешности
измерения. Все операции по измерению эквивалентного размера сводятся к
тому что оператор должен найти отверстие от которого фиксируется эхо-
сигнал равный эхо-сигналу от дефекта. Недостаток способа в необходимости
изготовлять большое число образцов с широким набором плоскодонных
отражателей по диаметру и глубине.
При измерении размера дефектов по АРД-диаграммам необходимо определить
коэффициент затухания ультразвука .
Наряду с амплитудным широкое распространение получил способ оценки
величины дефектов путем определения их условных размеров на поверхности
изделия. Он состоит в том что при сканировании вдоль дефекта на
поверхности изделия измеряется расстояние между положениями
преобразователя в которых при заданном уровне чувствительности
дефектоскопа эхо-импульс от дефекта исчезает с экрана. Условные размеры
дефектов превышают их действительные размеры за счет широкой диаграммы
направленности преобразователя.
Условная ширина ΔX определяется длиной зоны перемещения
преобразователя перпендикулярно ко шву между двумя крайними положениями в
которых появляется и исчезает эхо-сигнал от дефекта. Измерение ΔX удобно
производить при механизированном контроле.
Рисунок 5.5.а – Схема определения условной ширины дефекта
Условная высота дефекта ΔН=Н2 – Н1 определяется разностью глубин
измеренных в крайних положениях искателя при перемещении его
перпендикулярно длине шва (рисунок 5.5.1). При замере условной высоты ΔН
вершина импульса на экране ЭЛТ двигается в пределах некоторой зоны по
огибающей а затем исчезает.3.
Величина ΔН измеряется на том же уровне чувствительности и при тех же
положениях преобразователя на поверхности при которых измеряется ΔX.
При контроле необходимо отстроиться от ложных сигналов. Это возможно
при применении метода амплитудной дискриминации при котором за счет
стробирования зон развертки в которых возможно появление ложных сигналов
фиксируются только те сигналы амплитуда которых превышает уровень ложных.
Таким образом необходимо определить зоны стробирования сигнала (зоны
временной селекции).
Зона стробирования t1 – t2 при контроле стыкового шва прямым лучом
определяется геометрическим путем (рисунок 5.5.б.)
Рисунок 5.5.б– Схема для определения зон стробирования
В данном случае е =12мм r=6 мм и тогда для прямого луча можно
определить зону стробирования по формуле:
Для однократно отраженного луча:
Расшифровка сигналов будет производиться на основании полученных
результатов контроля. Глубина залегания дефекта определяется исходя из
времени прохождения зондирующего импульса от поверхности ввода до
отражателя и обратно.
Эквивалентный размер определяется на основании результатов измерения
амплитуды эхо – сигнала расстояния до дефекта и его ориентации
относительно акустической оси пьезоэлемента.
6 Выбор или разработка технических средств контроля
Для создания требуемого напряжения на пьезоэлементе и регистрации
импульсов приходящих от пьезоэлектрического преобразователя используются
ультразвуковые эхо-дефектоскопы.
В настоящее время промышленностью разработано большое количество
моделей дефектоскопов среди которых есть и универсальные и специальные.
Например дефектоскоп УД4-Т (ультразвуковой дефектоскоп-томограф общего
назначения) предназначен для обнаружения дефектов; измерения координат
дефектов; измерения эквивалентной площади дефектов; измерения амплитуд эхо-
сигналов; построение томографических изображений типа “В”дефектной области
контролируемого объекта; оценки конфигурации и формы обнаружения дефектов;
накопления результатов контроля и их перенос в компьютер с последующим
представлением в виде документа.
Этот дефектоскоп может быть использован в ручных полуавтоматических и
автоматических системах контроля.
Дефектоскоп применяется в железнодорожном транспорте металургии
машиностроении судостроении нефтегазовой промышленности и других областях
народного хозяйства.
Характерные объекты контроля : трубы и трубопроводная арматура;
металлоконструкция; корпуса и детали машин; энергетическое и транспортное
Выберем дефектоскоп УД2-70. К его преимуществам можно отнести
небольшие габариты удобство в работе он обладает встроенной
микропроцессорной системой с возмозжностью запоминания до 100 изображений с
соответствующими настройками прибора. Его пригодность к использованию при
решении поставленной задачи определяется следующими техническими
- диапазон толщин контролируемого материала (сталь) от 2 до 5000 мм;
- рабочие частоты – 125; 18; 25; 50; 100 МГц;
- диапазон регулировки усиления – 0-100 дБ;
- диапазон установки угла ввода ПЭП - 0°-90°;
- диапазон установки скорости УЗК – 1000-8000мс;
- глубина регулировки ВРЧ – 60дБ;
- габариты не более – 245x145x75.[23]
В соответствии с паспортными данными в комплект поставки УД 2-70
входят шесть пьезопреобразователей выбор которых осуществляется по желанию
заказчика из предлагаемой производителем номенклатуры.
Также данный дефектоскоп имеет разъём для соединения с персональным
компьютером посредством интерфейса RS-232 что является немаловажным
преимуществом позволяющим передавать данные напрямую без использования
дополнительных схем.
В связи с особенностями контролируемого объекта сканирующее устройство
должно обеспечивать перемещение преобразователя в двух взаимно
перпендикулярных направлениях (по координатам Х и Y). Для контроля
кольцевых швов преобразователь должен перемещаться по кольцевой траектории
т.е. должен осуществляться поворот в плоскости Y на 360°. При этом
необходимо обеспечить его устойчивое положение относительно сварного шва а
также заданный шаг сканирования с максимально точной установкой
преобразователя в узловых точках.
Блок управления должен обеспечивать согласованную работу всех
механизмов и систем входящих в структуру комплекса. Также необходимо
предусмотреть возможность подстройки системы в ручном режиме.
Жёстких требований к персональному компьютеру не предъявляется.
Примерная минимальная конфигурация может быть следующая: процессор с
частотой 133MHz оперативная память – не менее 32Мб жёсткий диск объёмом
памяти свыше 8Гб дисплей дисковод - 35” принтер.
7 Разработка метрологического обеспечения средств контроля
Для исключения влияния субъективных факторов на результаты
акустического контроля необходимо создать стандартные условия контроля.
Одним из существующих и существенных моментов стандартизации контроля
является настройка параметров приборов по эталонным и контрольным
образцам. Для текущей проверки наиболее важных параметров и характеристик
приборов служит комплект стандартных образцов по ГОСТ14782-86.
Для контроля реальных объектов и для настройки чувствительности удобно
использовать специальные контрольные образцы с искусственными дефектами
которые могут изготовляться непосредственно на предприятии. 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.
На образце на расстоянии не менее 20мм от одного из краев
изготавливаются искусственные эталонные отражатели соответствующие по
эквивалентной площади требуемым значениям предельной или браковочной
чувствительности. Производить настройку чувствительности по контрольным
образцам с реальными дефектами нельзя. Это объясняется невозможностью
точного измерения величины и формы реальных дефектов и воспроизведения их
при тиражировании образцов.
Настройку чувствительности при контроле наклонным преобразователем
будем производить по зарубке. Угловой отражатель («зарубка») хорошо
имитирует выходящие на поверхность трещины и непровары. Внешний вид
контрольного образца изображен на рисунке 5.7.а
Рисунок 5.7.а – Внешний вид контрольного образца.
Толщина образца должна соответствовать толщине стенки объекта контроля
(12 мм) длина - порядка 200-250 мм и ширина - порядка 50-60 мм чтобы
обеспечить свободное перемещение преобразователя по поверхности. Расстояние
от торца до зарубки примем равным 30 мм. Площадь зарубки должна
соответствовать эквивалентной площади минимального выявляемого дефекта.
В нашей стране для текущей проверки наиболее важных параметров и
характеристик приборов ГОСТ 14782-86 предусмотрен комплект из четырех
стандартных образцов (СО) 4.
В данном случае для настройки и проверки характеристик прибора удобно
применить стандартный образец СО-2 который выполнен из стали 10 по ГОСТ
50-74 он выполняется из материла контролируемого изделия. Для заданного
изделия образец будет представлять собой плиту выполненную из стали
размерами 210(59(30 мм и накладку которую укрепляют четырьмя винтами.
[pic] ( 0 20 40 50 60
Рисунок 5.7.б – Накладка к контрольному образцу СО-2
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 титановой 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
8 Описание мероприятий по технике безопасности и охране труда
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 3.
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 безопасности.
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.
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. 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.
Подключить дефектоскоп оператор имеет право только на специально
оборудованных постах в остальных случаях подключение производит техник-
Место на котором производится контроль должно быть удалено от
сварочных постов и защищено от лучистой энергии.
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
Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта
Так как контролируемый объект имеет сложную форму то перед контролем
следует кисточкой обильно нанести смазку.
Сканирование контролируемого объекта будем производить с помощью
устройства представленного на чертеже 00.001.00 СБ состоящего из салазок 2
которые могут непосредственно перемещаться вокруг трубы по поясу-
направляющей повторяющему форму шва. Пояс охватывает трубу и скрепляется
винтами. Удерживание на месте каретки происходит посредством четырех
постоянных магнитов 10 крепящихся винтами 16 к корпусам кареток.
К каретке на ограничительный кронштейн 7 крепится головка 4. К ней
посредством винта 15 присоединяется совмещенный наклонный преобразователь
снабженный проградуированой градусной шкалой 8 отвечающей за
возможность поворота на заданный угол.
Ограничительный упор 7 задает расстояние до валика шва контролируемого
объекта и крепятся на каркасе 3 при помощи винта 14.
Сам объект контроля предварительно фиксируется в неподвижном положении
при помощи специальных упоров.
Схема расположения сканирующего узла на объекте контроля представлена
на чертеже 00.004.00 ДЧ.
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.
Полезными для анализа пригодности объекта контроля по качеству являются
лишь сигналы находящиеся на осциллограмме внутри зоны стробирования.
Остальные сигналы можно исключить из рассмотрения. Для дефекта сигнал от
которого попал в зону стробирования находится амплитуда. Она не должна
быть меньше строго определенного значения которое зависит от размеров
минимально допустимого дефекта предполагаемой глубины его залегания и от
характеристик материала объекта контроля. Обычно задается максимально
допустимое ослабление сигнала от дефекта относительно зондирующего
импульса. Такие значения для данного объекта контроля позволяет рассчитать
Графики чувствительности для наклонного преобразователя изображены на
рисунках. На этих графиках представлена зависимость ослабления сигнала от
размера дефекта и глубины его залегания.
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
Время на перемещение преобразователя на другой уровень:
Время для установки устройства сканирования на объект контроля:
Время затрачиваемое при перемещении преобразователя по объекту
где: V—скорость сканирования;
l – длина перемещения.
где lок – длина объекта контроля.
Время на расшифровку результатов:
Данные по затратам времени приведённые для контроля половины одного
сварного соединения.
Время на поворот объекта контроля:
Окончательное время которое необходимо затратить на контроль изделия:
t = 2·(t1 + t2 + t3 + 2·t4 + t5) + t6
t = 2·(40 + 20 + 60 +56+ 15) + 20 = 402 сек.
Следовательно за час можно проконтролировать
В расчетах не учитывается время на зачистку поверхности снятие
контактной жидкости и настройку дефектоскопа.
Следовательно за полный рабочий день оператор может проконтролировать
N=8 8=64 единицы объектов контроля.
Организация службы контроля
Основной задачей службы контроля на предприятии является обеспечение
высокого качества продукции путём своевременного выявления дефектов
недопущения выпуска бракованных изделий соответствующего воздействия на
технологический процесс. В связи с этим строится структура службы контроля.
Все службы контроля подчиняются заместителю директора по качеству. Ему
функционально подчинён отдел технического контроля (ОТК) наблюдающий за
соблюдением технологического процесса в целом осуществляющим простые в
технологическом отношении контрольные операции (например измерение
размера) представляющий общее заключение о качестве продукции на основании
заключения других подразделений.
Параллельно ОТК действует Центральная заводская лаборатория (ЦЗЛ) и
Центральная лаборатория методов неразрушающего контроля (ЦЛМНК). ЦЗЛ
выполняет контроль химсостава металлографический анализ испытание
механических свойств а также другие виды разрушающего контроля.
В состав ЦЛМНК входят подразделения по основным видам контроля в
нашем случае обязательно присутствие специалистов по ультразвуковому
контролю и контролю герметичности также выполняется входной контроль
поступающих материалов. Учитывая особенности производства очевидно что
контроль качества должен производиться непосредственно в цехах в процессе
производства. Для ультразвукового контроля должны быть предусмотрены
площади для размещения установки. Контроль герметичности рекомендуется
производить в изолированном помещении. Такая структура позволяет
производить разбраковку изделий на дефектные и бездефектные.
Годными признаются изделия без дефектов либо с дефектами размеры и
количество которых не выходят за пределы требований установленных
нормативно-технической документацией на объект контроля. Их направляют
далее по технологической линии на склад для последующей отправки
Бракованные изделия имеющие недопустимые дефекты отправляют по другой
ветке технологической линии для последующего исправления брака после чего
необходимо произвести повторный контроль качества.
Лаборатория неразрушающего контроля должна быть зарегистрирована
органами Проматомнадзора Республики Беларусь. К проведению контроля
допускаются лица имеющие квалификационный уровень по соответствующим видам
контроля. Выносить заключение о годности продукции по результатам
проведённых испытаний должны специалисты имеющие не ниже второго уровня
находящиеся в подчинении начальника лаборатории.
В функции службы неразрушающего контроля также входит разработка
совершенствование и освоение методик контроля изделий составление
инструкций и карт контроля; подготовка специалистов первого уровня
квалификации; сбор обобщение и анализ статистических данных неразрушающего
контроля с целью использования их для регулирования технологических
В лаборатории должна быть организована система своевременного
прохождения переаттестации специалистов. Средства контроля должны быть
поверены установлена периодичность поверок.
Для обеспечения высокой надёжности работы операторов при неразрушающем
контроле особое внимание должно уделяться созданию делового комфорта на их
рабочих местах. В заводских условиях места контроля должны обеспечивать
удобное для операторов размещение контролируемых участков объекта и
дефектоскопической аппаратуры; необходимо обеспечить свободный доступ к
установке для ультразвукового контроля; вблизи не должны проводиться
работы загрязняющие воздух и вызывающие вибрацию контролируемых объектов.
Операторы должны обеспечиваться спецодеждой.
При выполнении данного курсового проекта были разработаны методика и
технические средства для ультразвукового контроля сварного изделия. Был
выполнен полный расчет наклонного пьезоэлектрического преобразователя.
Разработанная установка позволяет надежно выявлять в контролируемом трубном
соединении дефекты в виде непровара внутренние несплошности трещин.
Приведен алгоритм расчёта акустического тракта дефектоскопа с
конечными областями возбуждения упругих волн в контролируемой среде и их
регистрации позволяет весьма эффективно оценивать и оптимизировать выбор
геометрических и упругих характеристик тракта применительно к решению
конкретных задач ультразвуковой дефектоскопии.
Использование в математической модели акустического тракта
коротковолнового приближения позволило проводить расчёты при b(( с
абсолютной погрешностью не более ( 2 дБ.
Важным источником погрешности расчётов является неточность задания
исходных данных например демпфера средний размер зерна среды упругие
модули используемой пьезокерамики и др.
Разработана структура ультразвукового комплекса для контроля сварных
швов теплоэнергетического оборудования. Он включает дефектоскоп УД4-Т с
набором пьезоэлектрических преобразователей сканирующие устройства
персональный компьютер.
Разработан блок преобразователя обеспечивающий стабильный контакт
плоскости преобразователя с объектом контроля. Спроектировано ручное
сканирующие устройство.
Определена процедура ультразвукового контроля объектов предполагающая
последовательное выполнение регламентированных операций.
Согласно стандартам определены основные требования к организации
лаборатории неразрушающего контроля и квалификационные требования к
персоналу лаборатории для реализации контроля и диагностирования
рассматриваемых объектов.
Разработанное сканирующее устройство соответствует действующим
требованиям техники безопасности электробезопасности и пожарной
безопасности и являются экологически безвредными для окружающей среды.
Список использованных источников
Ультразвуковая дефектоскопия: 2-е изд. Выборнов Б.И. М.:
Машиностроение 1986.- 256с.
Сергеев С.С. Приборы и методы акустического контроля. Методические
указания к курсовому проектированию по дисциплине для студентов
специальности Т06.01-Приборостроение.-Могилев:МГТУ2001.-35с.
Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.2. Акустические методы контроля:
Практическое пособие Под ред. В.В.Сухорукова.- М.: Высш.шк. 1991.- 283с.
Методы акустического контроля металлов Н.П.Алешин В.Е.Белый и др.:
Под ред. Н.П.Алешина.- М.: Машиностроение 1989.- 456с.
Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник.
В 2-х кн. Кн.2Под ред. В.В.Клюева.- М.: Машиностроение 1986.- 352с.
Алешин Н.П. Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ.
пособие.- Мн.: Выш.шк. 1987.- 271с.
Справочник металлиста. В 5 томах. Т.4. Под ред. д-ра техн. наук проф.
М.П.Новикова и канд. техн. наук П.Н.Орлова. М. Машиностроение 1977.-720с.
А. с. №1098200 СССР МКИ G01N 2904.Устройство для
ультразвукового контроля сварных швов труб М.М. Орлова Г.М. Силкин
(СССР).- №446828. Заявлено 10.10.82. Опубл. 07.06.84.Бюл №21.
А. с. №1315895 СССР Устройство для ультразвукового контроля
свариваемых соединений Дергалев И. В. Орлов Н. С. Фролов Ю. М.(СССР)-
№435627. Заявлено 14.04.84. Опубл.10.08.87. Бюл.№21.

Вопросы по ЭМК.doc

«Приборы и методы электромагнитного контроля»
Агрегативный комплекс средств неразрушающего контроля (АСНК). Условное
обозначение приборов.
Разрушающие и неразрушающие методы контроля.
Ферромагнетики и их свойства.
Приведите основные математические выражения которыми характеризуется
магнитное состояние вещества.
Нулевая основная безгистерезисная кривая намагничивания.
Петля гистерезиса. Частные циклы гистерезиса.
Магнитная проницаемость (абсолютная; дифференциальная проницаемость
возрастания и убывания; обратимая).
Испытания ферромагнетиков в замкнутой и разомкнутой магнитной цепи.
Расчет магнитостатического поля дефекта эквивалентного точечному
магнитному диполю; характер изменения тангенциальной и нормальной
составляющей поля дефекта.
Влияние расположения внутреннего дефекта его величины и режима
намагничивания на тангенциальную составляющую поля дефекта.
Пассивные индукционные магнитные преобразователи.
Активные индукционные магнитные преобразователи.
Магнитные порошки применяемые для дефектоскопии.
Преобразователи Холла.
Пондеромоторные преобразователи.
Однослойные и двухслойные магнитные ленты.
Магниторезистивные преобразователи.
Феррозонд-градиентомер.
Ленточный локальный магнитоноситель(ЛЛМ) градуировка ЛЛМ измерение
напряженности магнитного поля с помощью ЛЛМ.
Экспериментальное определение кривой первоначального намагничивания.
Экспериментальное определение основной кривой намагничивания.
Экспериментальное определение петли гистерезиса.
Классификация и области применения магнитных методов контроля.
Виды намагничивания согласно ГОСТ 21105-89; особенности контроля.
Определение намагничивающего тока при циркулярном намагничивании
цилиндра пластины бруска крупногабаритного объекта
Способы магнитопорошкового контроля; области применения; определение
режима намагничивания.
Выбор рода тока при магнитопорошковом контроле.
Выбор способа намагничивания при магнитопорошковой дефектоскопии.
Уровни чувствительности при магнитопорошковой дефектоскопии. Требуемая
шероховатость поверхности.
Магнитопорошковый контроль с использованием сухого магнитного порошка
магнитной суспензии и магнитогуммированной пасты.
Размагничивание контролируемого объекта. Основные способы.
Проверка качества размагничивания объекта. Показатель размагниченности.
Способы изготовления дефектограмм.
Мнимые дефекты при магнитопорошковой дефектоскопии. Примеры.
Вопросы техники безопасности при магнитопорошковой дефектоскопии.
Индукционные дефектоскопы (требования к первичным преобразователям;
структурная схема прибора и ее описание).
Приборы основанные на использовании магнитных шумов. (физические
основы; информационные параметры; область применения).
Сущность магнитографического метода контроля. Запись магнитного рельефа
на размагниченную ленту.
Испытательный образец для магнитографической дефектоскопии согласно ГОСТ
Требования к намагничивающим устройствам применяемым для
магнитографической дефектоскопии; намагничивающие устройства для контроля
Применение намагничивающих устройств на основе постоянных магнитов для
магнитографической дефектоскопии.
Форма выходного сигнала при магнитографической дефектоскопии. Виды
сигналограмм отсутствии и наличии дефекта в объекте (плоском и сварном).
Области качественно разной выявляемости дефектов. Их анализ.
Выбор типа ленты при магнитографическом контроле.
Способы повышения чувствительности магнитографического контроля.
Способы повышения разрешающей способности магнитографического метода
контроля (технологический конструктивный).
Достоинства и недостатки магнитографического метода контроля.
Магнитные толщиномеры отрывного (пондеромоторного) типа.
Магнитные толщиномеры магнитостатического типа.
Индукционные толщиномеры магнитостатического типа.
Электростатическая порошковая дефектоскопия.
Емкостный метод контроля.
Метод контактной разности потенциалов.
Трибоэлектрический метод контроля.
Электроискровой метод контроля толщины и дефектов в покрытиях.
Термоэлектрический метод контроля.
Физические основы вихретокового контроля.
Классификация вихретоковых преобразователей.
Основные уравнения электромагнитных волн.
Контроль цилиндрических изделий преобразователями с однородным полем.
Распределение напряженности магнитного поля в цилиндре.
Распределение плотности вихревых токов.
Влияние коэффициента заполнения ВТП.
Годографы относительной ЭДС проходного ВТП при изменении параметров
немагнитного цилиндра.
Контроль ферромагнитных цилиндров ((=сonst).
Контроль труб и неферромагнитных биметаллических цилиндров.
Относительное вносимое напряжение ВТП. Диаграммы чувствительности ВТП к
изменениям R и ( различных цилиндрических объектов.
Контроль цилиндрических объектов проходными преобразователями с
Дефектоскопия вихретоковыми методами. Математическая формулировка задач
дефектоскопии. Методы решения этих задач. Чувствительность ВТП к дефектам
Особенности работы преобразователей с импульсным возбуждением.
Влияние скорости движения преобразователя относительно объекта контроля
Контролируемые параметры и «мешающие» факторы. Однопараметровый
двухпараметровый и многопараметровый контроль. примеры. Двухпараметровые
способы отстройки от помех.
Контролируемые параметры и «мешающие» факторы. Способы стабилизации и
вариации режима вихретокового контроля.
Спектральный анализ сигналов вихретоковых преобразователей (метод
высших гармоник модуляционный метод).
приборы для сортировки объектов из ферромагнитных материалов. Настройка
прибора для разделения сплавов А и Б.
Сортировка сталей по маркам (число марок сталей больше двух). 76. Связь
химических характеристик объектов с их удельной электрической
проводимостью. Приборы для контроля.

ЭМК - Спецификация 1.cdw

Устройство для контроля
сварных швов полотнищ на
наличие локальных дефектов
режима намагничивания
Определение оптимального
Расчёт устройства для
Передняя напрвляющая

А2.frw