Тест-образец для ультразвукового контроля

Использование: для настройки и оценки систем ультразвукового контроля. Сущность: заключается в том, что тест-образец для ультразвукового контроля выполнен в форме призмы, или в форме изделия, или его части, или в произвольной форме из оптически прозрачного материала и при этом содержит один дефект или набор дефектов, расположенных заданным и/или случайным образом, внесенных с использованием лазерной технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред, в качестве эталона для настройки и оценки систем контроля, при моделировании дефектов типа несплошностей и неоднородностей и структурных шумов конструкционных материалов, оценки технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала для ее проведения, определения вероятностных характеристик обнаружения дефектов ультразвуковой системой. Технический результат: получение тест-образца для ультразвукового контроля с нормированными по размерам, расположению и отражательной способности дефектами и возможностью моделировать реальные шумы структуры различных конструкционных материалов, позволяющего проводить вероятностный анализ выявляемости дефектов, проводить оценки технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала для ее проведения. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к получению тест-образцов для настройки и оценки систем ультразвукового контроля. Изобретение может быть использовано в ультразвуковом неразрушающем контроле для моделирования дефектов типа несплошностей и неоднородностей, структурных шумов конструкционных материалов, оценки технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала, определения вероятностных характеристик обнаружения дефектов системой контроля.

В соответствии с существующей практикой при проведении контроля ультразвуковым эхо-методом с целью обнаружения внутренних дефектов в материале, в том числе несплошностей, настройку оборудования проводят на тест-образцах с искусственными отражателями, имеющими площадь отражения, эквивалентную дефектам, которые необходимо обнаруживать. Искусственные отражатели в тест-образцах получают сверлением отверстий с плоским дном на заданную глубину или фрезерованием. Проводя контроль, сравнивают амплитуды получаемых эхо-сигналов с эхо-сигналами от искусственных отражателей и принимают решение об отсутствии или возможном наличии в контролируемом объекте дефектов [1].

Однако изготовить такие тест-образцы, например, из жаропрочных материалов с диаметром плоскодонного отверстия менее 1 мм и глубиной более 50 мм неоправданно дорого. Тест-образец с плоскодонными отверстиями непригоден для других методов ультразвукового контроля, например теневого. Моделирование дефектов на полноразмерных деталях их моделях или фрагментах имеет ограниченное применение, так как дно отверстия должно быть всегда перпендикулярно лучу ультразвуковых колебаний. В связи с этим оценка системы ультразвукового контроля по параметру вероятности обнаружения дефектов может быть установлена только для ограниченного типа расположения дефектов в контролируемом объекте.

Известны тест-образцы, в которых дефекты закладываются в момент их изготовления. Например, керамическое включение в деталь при ее компактировании из гранулируемого сплава или размещение окисной плены в момент выплавления детали. Точные размеры и координаты получившихся дефектов можно определить, только разрезав тест-образец. Такой тест-образец является дорогостоящим, поскольку в дальнейшем контроле не используется.

Наиболее близким к заявленному является тест-образец [2], в котором на глубину залегания дефекта выполняют отверстие, после чего на дне отверстия размещают искусственный дефект (пора, шлаковое включение), а затем отверстие заваривается. Однако такие тест-образцы могут быть пригодны только для моделирования дефектов сварных швов.

Таким образом, известные тест-образцы для проверки конструкционных материалов не позволяют использовать для настройки и оценки систем ультразвукового контроля модельные нормированные по отражательной способности несплошности в широком диапазоне по расположению и протяженности, а их изготовление является трудоемким при получении статистически значимого числа дефектов.

Технической задачей заявляемого технического решения является получение тест-образца для ультразвукового контроля с нормированными по размерам, расположению и отражательной способности дефектами и возможностью моделировать реальные шумы структуры различных конструкционных материалов, позволяющего проводить вероятностный анализ выявляемости дефектов, проводить оценки технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала для ее проведения.

Технический результат достигается применением тест-образца для ультразвукового контроля, выполненным в форме призмы, или в форме изделия, или его части, или в произвольной форме из оптически прозрачного материала, содержащего один дефект или набор дефектов, расположенных заданным и/или случайным образом и внесенных с использованием лазерной технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред, в качестве эталона для настройки и оценки систем контроля, при моделировании дефектов типа несплошностей и неоднородностей и структурных шумов конструкционных материалов, а также при оценке технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала для ее проведения и при определении вероятностных характеристик обнаружения дефектов ультразвуковой системой.

Тест-образец для ультразвукового контроля может содержать один и/или набор дефектов, расположенных заданным и/или случайным образом, выполненный, например, в форме призмы, или в форме изделия, или его части, или в произвольной форме, причем тест-образец изготавливают из оптически прозрачного материала, например стекла, имеющего ту же скорость распространения ультразвуковых волн, что и проверяемый материал, а дефекты вносят с использованием лазерной технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред.

Дефекты вносят в тест-образец до придания ему окончательной формы, если форма тест-образца препятствует или затрудняет процесс внесения несплошностей.

При выборе оптически прозрачного материала, например стекла, со скоростью распространения ультразвуковых волн, близкой к проверяемому материалу, неполное соответствие скоростей компенсируют изменением размеров тест-образца.

Протяженные дефекты в тест-образце выполняют прерывисто, при этом контур протяженного дефекта заполняют единичными несплошностями, причем размеры единичной несплошности и минимальный шаг между единичными несплошностями выбирают, например, в пределах технических возможностей используемого оборудования и технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред, а максимальный шаг выполняют таким, чтобы обеспечить соответствие дефектам в проверяемом материале по величине прошедшей и/(или) отраженной, и/(или) рассеянной энергии ультразвукового луча.

Контур протяженных дефектов в тест-образце может также заполняться несплошностями прерывисто и блоками (содержащими единичные несплошности), расположением которых получают соответствие дефектам в проверяемом материале по величине прошедшей, и/(или) отраженной, и/(или) рассеянной энергии ультразвукового луча.

После внесения в тест-образец дефектов их размеры и координаты непосредственно измеряют.

Размещением в контролируемом пространстве тест-образца дополнительных несплошностей моделируют структурные шумы проверяемого конструкционного материала.

Моделирование статистических распределений шумов конструкционного материала по глубине и/(или) площади выполняют по экспериментальным данным для моделируемых зон контроля.

После внесения дефектов рабочие поверхности тест-образца выполняют шероховатыми для обеспечения соответствия пропускающей и/(или) отражательной способности этих поверхностей, соответствующим характеристикам поверхности проверяемого материала.

После внесения дефектов поверхности тест-образца делают непрозрачными для обучения и оценки квалификации персонала, занимающегося ультразвуковым контролем.

На фиг.1 схематично показан вид тест-образца с внесенным дефектом.

На фиг.2 схематично показан вид тест-образца с внесенным дефектом, контур которого заполнен единичными несплошностями и дополнительными несплошностями, моделирующими шумы конструкционного материала.

На фиг.3 схематично показан вид тест-образца с внесенным дефектом, контур которого заполнен блоками с единичными несплошностями, а также дополнительные несплошности, моделирующие шумы конструкционного материала.

На фиг.4 показан вид сверху на тест-образец, поясняющий пространственное заполнение контура дефекта.

Для тест-образца выбирают оптически прозрачный материал, имеющий ту же или близкую скорость распространения ультразвуковых волн, что и проверяемый материал. Например, стекло со скоростью распространения продольных ультразвуковых волн 5700-5930 м/с [3] (в зависимости от состава) можно использовать для тест-образцов, имитирующих широкий класс конструкционных материалов (углеродистые и коррозионностойкие стали, жаропрочные и титановые сплавы и др.). В зависимости от назначения заготовку тест-образца из оптически прозрачного материала изготавливают в виде призмы (или другой формы), или в виде изделия, или в виде фрагмента изделия, подлежащего ультразвуковому контролю. В случае недостаточного совпадения скоростей распространения ультразвуковых волн с проверяемым материалом размеры тест-образца могут быть скорректированы.

В полученной заготовке с использованием лазерной технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред вносят несплошности, моделирующие реальный дефект. На фиг.1 показаны тест-образец 1 и контур внесенного дефекта 2.

Если форма тест-образца препятствует или затрудняет процесс внесения несплошностей, то дефекты вносят в тест-образец до придания ему окончательной формы.

Размер, расположение, отражательная способность и количество вносимых несплошностей определяются назначением тест-образца.

Высокая производительность лазерной технологии [4] и доступность материала для тест-образца позволяют получать значительные выборки по размеру, расположению и отражательной способности вносимых несплошностей, что позволяет использовать такие тест-образцы для определения вероятностных характеристик обнаружения дефектов системой ультразвукового контроля.

После внесения несплошностей их реальные размеры и координаты могут быть достаточно точно измерены с использованием оптических средств. Это позволяет использовать тест-образец для настройки и проверки (поверки) систем ультразвукового контроля.

При моделировании протяженных дефектов для получения соответствия вносимых несплошностей с реальными дефектами, например при моделировании усталостной трещины или окисной плены, в контур моделируемого дефекта вносят единичные несплошности. Варьируя размером единичной несплошности, в пределах, определяемых лазерной технологией их внесения, и шагом между ними, добиваются значений отражения, прохождения и рассеяния ультразвукового луча как у реального дефекта. На фиг.2 показан тест-образец 1 с контуром дефекта 2, в котором расположены единичные несплошности 3.

Необходимые значения отраженной, прошедшей и рассеянной энергии ультразвукового луча можно также получить расположением в контуре дефекта блоков, содержащих единичные дефекты. На фиг.3 и 4 показан тест-образец 1 с контуром дефекта 2, в котором расположены блоки 5, содержащие единичные дефекты 3. Варьируя размером, расположением и числом блоков в контуре дефекта, а также размером и шагом единичных несплошностей в контуре блока, добиваются необходимых значений отраженной, прошедшей и рассеянной энергии ультразвукового луча.

Для моделирования структурных шумов в конструкционном материале в рабочем пространстве тест-образца размещают дополнительные несплошности, которые не дают значительных отражений и расположены случайным образом, например по нормальному закону распределения. На фиг.2-4 показано расположение дополнительных несплошностей 4 в контролируемом пространстве тест-образца 1. Для большего соответствия шумов с проверяемым изделием, например при наличии текстурных течений характерных для кованных и штампованных деталей, шумовая компонента может быть смоделирована на основе экспериментально полученных статистических распределений шумов.

После процедур внесения дефектов, измерения их размеров и создания эффекта шума от внутренней структуры поверхности тест-образца, используемые для ввода или отражения ультразвукового луча, могут быть подвергнуты, например, шлифованию для получения поверхности, соответствующей по шероховатости и/или по отражательной способности, моделируемому изделию.

При использовании тест-образца в целях обучения и оценки квалификации персонала, выполняющего ультразвуковой контроль, а также при проведении работ по определению вероятностных характеристик обнаружения дефектов системой контроля прозрачные поверхности тест-образца делают непрозрачными, например шлифованием или нанесением покрытия, или другим способом.

Таким образом, применение заявляемого тест-образца обеспечивает моделирование различных по типу, размеру и расположению дефектов в конструкционных материалах и позволяет определять вероятностные характеристик обнаружения внутренних дефектов системой ультразвукового контроля с высокой точностью.

Литература

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Кн. 2./Под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 352 с., ил. стр.230-233.

2. Патент РФ №2157305 от 04.11.1998 г. «Способ получения искусственного дефекта в сварном соединении (варианты)».

3. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник./ В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Н.Филинов и др.; Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. 488 с., ил. стр.146.

4. Патент РФ №2059575 от 05.10.1996 г. «Способ художественной обработки изделий из стекла».

1. Тест-образец для ультразвукового контроля, выполненный в форме призмы или в форме изделия или его части или в произвольной форме из оптически прозрачного материала, содержащий один дефект или набор дефектов, расположенных заданным и/или случайным образом и внесенных с использованием лазерной технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред, в качестве эталона для настройки и оценки систем контроля, при моделировании дефектов типа несплошностей и неоднородностей и структурных шумов конструкционных материалов, оценки технических параметров оборудования и уровня квалификации персонала для ее проведения, определения вероятностных характеристик обнаружения дефектов ультразвуковой системой.

2. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что тест-образец для ультразвукового контроля изготавливают из оптически прозрачного материала, например, стекла, имеющего ту же скорость распространения ультразвуковых волн, что и проверяемый материал.

3. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что дефекты вносят в тест-образец до придания ему окончательной формы, если форма тест-образца препятствует или затрудняет процесс внесения несплошностей.

4. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.2, отличающийся тем, что в качестве оптически прозрачного материала выбирают, например, стекло со скоростью распространения ультразвуковых волн, близкой к проверяемому материалу, а неполное соответствие скоростей компенсируют изменением размеров тест-образца.

5. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что контур протяженного дефекта заполняют несплошностями прерывисто, при этом размеры единичной несплошности и минимальный шаг между единичными несплошностями выбирают, например, в пределах технических возможностей используемого оборудования и технологии для объемной внутренней обработки прозрачных сред, а максимальный шаг выполняют таким, чтобы обеспечить соответствие дефектам в проверяемом материале по величине прошедшей и/(или) отраженной, и/(или) рассеянной энергии ультразвукового луча.

6. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.5, отличающийся тем, что контур протяженного дефекта заполняют несплошностями прерывисто и блоками (содержащими единичные несплошности), расположением которых получают соответствие дефектам в проверяемом материале по величине прошедшей и/(или) отраженной, и/(или) рассеянной энергии ультразвукового луча.

7. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что после внесения дефектов их размеры и координаты непосредственно измеряют.

8. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что в контролируемом объеме размещают дополнительные несплошности, моделирующие структурные шумы проверяемого материала.

9. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.8, отличающийся тем, что моделирование статистических распределений шумов материала по глубине и/(или) площади выполняют по экспериментальным данным для моделируемых зон контроля.

10. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что рабочие поверхности тест-образца для ультразвукового контроля выполняют шероховатыми, для обеспечения соответствия по пропускающей и/(или) отражательной способности этих поверхностей соответствующим характеристикам поверхности проверяемого материала.

11. Тест-образец для ультразвукового контроля по п.1, отличающийся тем, что поверхности тест-образца для ультразвукового контроля делают непрозрачными, для обучения и оценки квалификации персонала, занимающегося ультразвуковым контролем.