Ультразвуковой преобразователь для контроля цилиндрических изделий

 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет одновременной генерации на поверхности цилиндрического изделия двух встречнонаправляющихся пучков поверхностных ультразвуковых (УЗ) колебаний. Преобразователь с размещенным на плоской поверхности призмы 1 пьезоэлементом 2 устанавливается на цилиндрическое изделие 9. Излученные пьезоэлементом 2 УЗ колебания 3 падают на отражающую поверхность 4, сформированную по полукубической параболической направляющей, точка излома которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности . После поверхности 4 отраженные колебания 5 и 6 попадают на контактные поверхности 7 и 8, сформированные по круговой направляющей, центр которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности. На поверхностях 7 и 8, контактирующих с изделием .9. УЗ колебания трансформируются в УЗ поверхностные .волны 10 и 11. Преобразователем принимают как прошедшие по окружности изделия 9, так и отраженные дефектом УЗ волны и по их параметрам определяют качество , 8 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 N 29/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО.ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 4

0с ф (лЭ

Ю фиг. f

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (2 1} 4809149/28 (22) 19.01.90 (46) 29.02.92, Бюл. М 8 (71) Производственное объединение "Минский тракторный завод им. В;И.Ленина" (72) С.Ф.Кукин (53) 620.179.16 (088.8) (56) Гурвич А.К., Ермолов И.H. Ультразвуко-. вой контроль сварных швов. Киев: Техника, 1972, с. 52.

Авторское свидетельство СССР

l4 896564, кл. G 01 N 29/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 148777, кл. G 01 И 29/04. 1966. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Цель изобретения — повышение производетель- ности контроля за счет одновременной генерации на поверхности цилиндрического изделия двух встречнонаправляющихся

5U 1716432 А1 пучков поверхностных ультразвуковых (УЗ) колебаний. Преобразователь с размещенным на плоской поверхности призмы 1 пьезоэлементом 2 устанавливается на цилиндрическое изделие 9. Иэлученные пьезоэлементом 2 УЗ колебания 3 падают на отражающую поверхность 4, сформированную по полукубической параболической направляющей, точка излома которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности. После поверхности 4 отраженные колебания 5 и 6 попадают на контактные поверхности 7 и 8, сформированные по круговой направляющей, центр которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности. На поверхностях 7 и 8, контактирующих с иэделием 9, УЗ колебания трансформируются в УЗ поверхностные волны 10 и 11. Преобразователем принимают как прошедшие по окружности иэделия 9, так и отраженные дефектом УЗ волны и по их параметрам определяют качество. & ил.

1716 132

Изобретение относится к неразрушающим средствам и методам контроля, а именно к ультразвуковому контролю материалов и изделий.

Известен ультразвуковой приэматиче- 5 ский искатель для контроля цилиндрических поверхностей изделий, содержащий акустическую призму с криволинейной контактной и отражающей поверхностями и пьезоэлемент, возбуждающий в призме 10 продольные волны, распространяющиеся на отражающую, а далее на контактируемую поверхности призмы под углом, большим второго критического.

Известен также ультразвуковой приз- 15 матический искатель, содержащий пьезоэлемент и акустическую призму с контактирующей поверхностью, образованной плоской и сопрягаемой с ней поверхностью второго порядка на проекции 20 .центральной акустической оси пьезоэлемента на контактируемую поверхность, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь для контроля цилиндрических изделий, содержащий плоский пьезоэлемент и формирователь двух ультразвуковых пучков с плоской и зеркально-симметричной цилиндрическими поверхностями. Пьезоэлемент акустически соединен с плоской поверхностью формирователя так, что его акустическая ось лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности формирователя перпендикулярно его образующей.

Однако известные преобразователи для ультразвукового контроля цилиндрических изделий характеризуются недостаточно высокой производительностью, вследствие необходимости сканирования искателя во взаимно перпендикулярных направлениях его цилиндрической поверхности вследствие быстрого затухания отраженных от дефектов поверхностных волн особенно при грубой поверхности изделия R> > 5,0 мкм, поскольку для фиксации отраженных импульсов со всей цилиндрической поверхности необходимо приближать искатель на расстояние, обеспечивающее надежный прием отраженного импульса.

Кроме того, чтобы его отличить от шумовых импул ьсов требуется возвратно-поступательное движение искателя около определенной эоны, для фиксации увеличения высоты импульса и его приближения по оси

Х развертки к строб-импульсу при приближении искателя к дефекту и наоборот.

Цель изобретения — повышение производительности I!íï ро я поверхностных дефектов.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе для контроля цилиндрических изделий, содержащем плоский пьезоэлемент и формирователь двух ультразвуковых пучков с плоской и зеркально-симметричной цилиндрической поверхностями, пьезоэлемент акустически соединен с плоской поверхностью формирователя так, что его акустическая ось лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности формирователя перпендикулярно его образующей, цилиндрическая поверхность выполнена из двух сопряженных частей — контактной, сформированной по круговой направляющей, центр которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности, и отражающей, сформированной по полукубической параболической направляющей, точка излома которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности, в расстояние L по дуге круга между крайними точками криволинейной поверхности формирователя выбирают из условия (2„, +1)

1 =2 В з1п (001745 R ) где R — радиус кривизны контактной поверхности; а — угол падения уль-.разауковых колебаний на контактную поверхность;

d — размер пьезоэлемента в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии формирователя.

В ультразвуковом преобразователе для контроля цилиндрических изделий повышение производительности и достоверности контроля достигается за счет одновременной генерации одним искателем в поверхности изделия встречно направленных поверхностных волн с одинаковыми условщми их получения при трансформации всех лучей продольных волн на контактирующей поверхности призмы. Это обеспечивает надежную фиксацию отраженных от дефектов поверхностных волн с меньшим их затуханием при обратной трансформации поверхностных волн в продольные, Кроме того, при наличии на контролируемой поверхности между зонами ввода уль тразвуковых колебаний единичного дефекта (типа трещина, волосовина, закат), выходящего на поверхность не под прямым углом, условия отражения поверхностной волны с разных сторон от такого дефекта будут не одинаковы. Со стороны тупого угла буде слабый отраженный сигнал, а со стороны острого — сильный. Поэтому данным спосо бом быстро и достоверно обнаруживаютсь такие дефекты.

1716432

20

30

При осуществлении контроля данным преобразователем одновременно сочетаются два метода ультразвукового контроля — теневого и эхометода, что обеспечивает. прием информации несущих отраженнйми поверхностными волнами, ослабленными или задержанными при.проходе их от одной зоны ввода ультразвуковых колебаний в поверхность до другой. Это также позволяет повысить достоверность контроля в результате наличия более разнообразной акустической информации о состоянии поверхности, На фиг.1 изображен ультразвуковой преобразователь для контроля цилиндриче- 15 ских изделий; на фиг.2 — 7 возможные варианты расположения поверхностных дефектов и осциллограммы отраженных от них импульсов; на фиг.8 — способ построения сечения криволинейной отражающей поверхности преобразователя в плоскости, проходящей через ось пьезоэлемента перпендикулярно оси изделия.

Ультразвуковой преобразователь для контроля цилиндрических изделий содержат акустическую призму 1 и расположенный на ней пьезоэлемент 2, который возбуждает пучок 3 продольных волн; направленных на отражающую криволинейную поверхность 4 призмы 1, которая в свою очередь разделяет пучок 3 продольных волн, на два пучка 5 и 6 и направляет их на контактирующие поверхности 7 и 8 призмы

1, где на цилиндрической поверхности изделия 9 происходит трансформация продольных волн 7 и 8 в поверхностные волны 10 и

11, направленные одна навстречу другой;

Проведение ультразвукового койтроля цилиндрических поверхностей изделий данным преобразователем осуществляют следующим образом.

Преобразователь контактирующими поверхностями 7 и 8 призмы 1 устанавливают на предварительно смазанную маслом или консистентной смазкой в этих зонах цилиндрическую поверхность изделия: S.

Вначале преобразователь устанавливают на поверхность такого участка, где заведомо известно отсутствие дефектов. В результате на экране дефектоскоаа поверхностные волны 10 и 11, возбужденные пьезоэлементом 2 и отраженные йоверхностье 4, при обходе поверхности между зонами ввода преобразуются в приемный импульс (фиг,2). Перемещением пьезоэлемента 2 по поверхности призмы 1 относительно вертикальной оси добиваются максимальной его величины, что свидетельствует о совпадении центральной оси пьеI зоэлемен га 2 с вертикальной осью изделия

Далее при этой же чувствительности дефектоскопа преобразователь устанавливают на образец одним дефектом (типа трещины, волосовины) с перпейдикулярным выходом на поверхность со стороны, противоположной дефекту (фиг.3). В данном случае отраженные от дефекта поверхностные волны будут преобразовываться в импульс (фиг.3), который будет расположей s той же зоне, что и приемный импульс (фиг.2), однако его высота значительно меньше. Эта высота будет еще уменьшаться, если поверхностный дефект (трещина, волосовина, закат) будет выходить не под прямым углом к поверхности. При установке преобразователя на поверхность изделия относительно первоначального положения на угол р в любую сторону на экране дефектоскопа возникают два импульса. Больший будет располагаться слева от зоны нахождения приемного импульса, а меньший —. справа.

В случае нахождения дефекта относи-. тельно преобразователя, как показано на фиг.4 для левого положения преобразователя, отраженные импульсы будут — больший слева и меньший — справа. Перестановка преобразователя на угол. р вправо дает удаление левого импульса влево и увеличение его высоты, а правого вправо и уменьшение высоты. При большом диаметре изделия правый импульс может и не появиться в зависимости от начальной установленной чувствительности дефектоскопа.

Перестановка преобразователя на угол у влево дает смещение левого импульса вправо и увеличение его амплитуды, а правого влево и увеличение амплитуды (фиг.5).

При нахождении дефекта в непосредст- . венной близости.от преобразователя (фиг.6) перестановка преобразователя на сам дефект дает получение приемного импульса (фиг.2), а от дефекта отраженный импульс смещается вправо и уменьшается по высоте, а в правой крайней зоне может появиться и второй отраженный импульс, если диаметр контролируемого изделия мал и достаточна чувствительность дефектоскопа для его регистрации.

На практике для острой и точной регистрации дефектов необходимо фиксировать наличие отраженных от дефектов импульсов, расположенных между строб-импульсом и зоной нахождения первого приемного импульса при обходе поверхностной волны изделия между зонами ввода, Отсутствие таких импульсов и наличие мощного перво1716432

0,01745 R

ro приемного импульса говорит об отсутствии поверхностных дефектов, Вывод формулы расчета расстояния L падения центральных лучей продольных волн на контролируемую поверхность от ее вертикальной оси производится тригонометрическим преобразованием иэ условия обеспечения плотности падения раздельных пучков продольных волн под углом на контролируемую поверхность иэделия, равной плотности падения на плоскую поверхность под этим же углом при условии падения крайнего луча. пучка под углом а на расстоянии L по дуге окружности поверхности контролируемого изделия от его вертикальной оси.

Последовательность вывода формулы следующая: длина. дуги от вертикальной оси до места падения центральных лучей на контролируемую поверхность составляет

2cosa угол сектора, ограниченный этой дугой, определяется по формуле

У 2 сов а + 1 )Г0,01745 Й =

0 01745 R зная у и R, определяется

1 =R siny=R sin x 2соза

0,01745 R

Методика построения сечения отражающей поверхности призмы плоскостью, проходящей через центральную ось пьезоэ-лемента перпендикулярно оси изделия состоит в следующем; рисуют окружность радиусом R; проводят вертикальную ось, на которой вне круга радиусом R чертят ряд вертикальных линий на одинаковом расстоянии одна от другой, сумма которых дает диаметр пьезоэлемента; рассчитывают угол у и откладывают сектор на окружности от вертикальной оси справа и слева от нее и находят на окружности точки падения центральных лучей пучка продольных волн; рассчитывают угол сектора, ограниченного дугой d/2 cosa откладывают эти углы со стороны несоприкасающихся секторов и находят точки падения крайних элементарных лучей пучка продольных волн на контролируемую поверхность; получен н ые дуги меж5

55 ду точками падения центральных и крайних . элементарных лучей разделяют на одинаковое количество равных дуг, равных половине числа прямых отрезков пьезоэлементов, полученных пересечением вертикальных линий; о каждого края дуг проводят отрезки под углом до пересечения с соответствующими вертикальными линиями; полученные точки соединяют плавной кривой, которая по форме повторяет полукубическую параболу.

Такая криволинейная отражающая поверхность обеспечивает падение всех элементарных лучей продольных волн под одинаковыми углами и контролируемой поверхности и, как следствие, получение одинаковых поверхностных волн, что особенно важно при контроле тонкостенных труб для получения одинаковой моды нормальных волн.

Это позволяет повысить производительность контроля, так как от одного дефекта будет не более двух импульсов, разных по высоте и расположенных на значительном удалении друг от друга, что уменьшает время на анализ и принятие решения, исключаются ошибки.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь для контроля цилиндрических изделий, содержащий плоский пьезоэлемент и формирователь двух ультразвуковых пучков с плоской и зеркально симметричной цилиндрической поверхностями, пьезоэлемент акустически соединен с плоской поверхностью формирователя так, что его акустическая ось лежит в плоскости. симметрии цилиндрической поверхности формирователя перпендикулярно к егообразующей, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения производительности контроля поверхностных дефектов, .цилиндрическая поверхность выполнена иэ двух сопряженных частей— контактной, сформированной по круговой направляющей, центр которой. лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности. и отражающей, сформированной по полукубической параболической направляющей, точка излома которой лежит в плоскости симметрии цилиндрической поверхности, а расстояние (по дуге круга между крайними точками криволинейной поверхности формирователя выбирают из условия где R — радиус кривизны контактной поверхности;

1716432

a — угол падения ультразвуковых колебаний на контактную поверхность;

d — размер пьезоэлемента в плоскости. перпендикулярной к плоскости симметрии формирователя.

1716432 юг.б

Раг. 7

Риз,8

Составитель В. Гондаревский

Техред М.Моргентал Корректор А. Осауленко

Редактор С. Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 609 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ври ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5