Устройство для ультразвукового контроля поковки с прямым преобразователем

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

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

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

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

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

СпецификацияПЭП.spw

Белорусско-Российский
университет гр. МПКЗ-061
Разъем высокочастотный

5 Устройство УЗК поковки на резцодержателе a1 ok.cdw

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

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