Способ ультразвукового контроля поверхности кварцевых керамических изделий на наличие царапин

Авторы патента:

G01N29/04 - для обнаружения локальных дефектов в твердых телах (G01N 29/16,G01N 29/18,G01N 29/20 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2789244:

Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" (RU)

Использование: для ультразвукового контроля поверхности кварцевых керамических изделий на наличие царапин. Сущность изобретения заключается в том, что в контролируемом изделии излучают и принимают ультразвуковые волны. По предложенному способу контроль выполняют одним ультразвуковым преобразователем частотой 5-10 МГц поперечными ультразвуковыми волнами, трансформированными от излучаемых продольных ультразвуковых волн, при этом излучают и принимают волны через наклонную призму из оргстекла, установленную под углом 35-45 градусов к поверхности изделия, и контролируют амплитуду однократно отраженных от шероховатостей поверхности эхо-сигналов в установленном временном интервале, а единичное увеличение амплитуды эхо-сигнала указывает на наличие царапины, причем размеры царапины определяют продольно-поперечным перемещением ультразвукового преобразователя по поверхности изделия. При продольно-поперечном перемещении преобразователя шаг сканирования устанавливают не более половины размера пьезоэлемента ультразвукового преобразователя. Технический результат: повышение качества контроля кварцевых керамических изделий, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля кварцевых керамических изделий, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, и служит для обнаружения наличия царапин на поверхности данных изделий.

Царапины на поверхности кварцевых керамических изделий могут приводить при эксплуатационных нагрузках к образованию трещин и разрушению данных изделий.

Образовавшиеся трещины могут увеличиваться при вибрациях и эксплуатационных нагрузках, что в свою очередь сказывается на надежности изделий из кварцевой керамики.

Известен способ ультразвукового контроля с целью обнаружения поверхностных трещин в гранитных блоках с использованием двух преобразователей: излучающего и принимающего поверхностные волны. Способ основан на оценке ослабления амплитуды поверхностных волн на различных частотах в зависимости от глубины измеряемой трещины (Данилов В.Н., Ермолин А.А. Дефектоскопия поверхности каменных блоков с использованием рэлеевских волн // Дефектоскопия. 1993. № 10. C. 44-51). Недостатком изобретения является невозможность обнаружения наличия царапин на поверхности кварцевых керамических изделий и определения их размеров по данному способу.

Известен также способ измерения глубины трещин в металлах, основанный на излучении в металл объемных волн (продольных и поперечных) и приеме дифрагированных на трещине волн. Способ реализуется с использованием пары преобразователей, расположенных по разные стороны от трещины, и является вариантом дифракционно-временного метода применительно к измерению поверхностных трещин (Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. 2-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2006. С. 252-256, С. 531-532). Недостатком изобретения является невозможность обнаружения наличия царапин на поверхности кварцевых керамических изделий и определения их размеров по данному способу.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ определения поверхностных трещин, заключающийся в излучении в изделие импульсов рэлеевской волны, обегающей поверхностную трещину, и измерении времени пробега поверхностной волны от излучателя к приемнику (RU 2451931 С1, G01N29/04, 24.02.2011). Момент зарождения трещины определяют по возникновению трансформированной на трещине поперечной волны, нормально падающей и отраженной от донной поверхности изделия, распространяющейся и вновь трансформирующейся на трещине в поверхностную волну и фиксирующейся приемным преобразователем. Предлагаемый способ позволяет двумя преобразователями (излучатель и приемник), жестко связанными между собой, при сканировании по поверхности контролируемого изделия, обнаружить поверхностную трещину и провести измерение ее глубины. Наличие трещины подтверждается возникновением на экране ультразвукового дефектоскопа сигнала трансформированной на трещине поперечной волны.

Недостатком данного изобретения, взятого в качестве прототипа, является невозможность обнаружения царапин на поверхности кварцевых керамических изделий и определения их глубины по данному способу.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества контроля кварцевых керамических изделий, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, за счет обеспечения ультразвукового контроля кварцевых керамических изделий на наличие царапин и определение их размеров на поверхности данных изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен:

1. Способ ультразвукового контроля поверхности кварцевых керамических изделий на наличие царапин, заключающийся в том, что в контролируемом изделии излучают и принимают ультразвуковые волны, отличающийся тем, что контроль выполняют одним ультразвуковым преобразователем частотой 5-10 МГц поперечными ультразвуковыми волнами, трансформированными от излучаемых продольных ультразвуковых волн, при этом излучают и принимают волны через наклонную призму из оргстекла, установленную под углом 35-45 градусов к поверхности изделия, и контролируют амплитуду однократно отраженных от шероховатостей поверхности эхо-сигналов в установленном временном интервале, а единичное увеличение амплитуды эхо-сигнала указывает на наличие царапины, причем размеры царапины определяют продольно-поперечным перемещением ультразвукового преобразователя по поверхности изделия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при продольно-поперечном перемещении преобразователя шаг сканирования устанавливают не более половины размера пьезоэлемента ультразвукового преобразователя.

По представленному способу один ультразвуковой преобразователь работает в эхо-режиме: электрический импульс от ультразвукового генератора поступает на пьезоэлемент ультразвукового преобразователя, и в соответствии с обратным пьезоэффектом он начинает колебаться с частотой, пропорциональной его толщине. Колебания пьезоэлемента передаются в призму ультразвукового преобразователя, изготовленную из оргстекла, и распространяются до границы раздела сред оргстекло – кварцевая керамика. Поскольку колебания проходят вдоль распространения волны тип излучаемой волны – продольная ультразвуковая волна. На границе сред оргстекло – кварцевая керамика продольная ультразвуковая волна, падающая под углом 35-45 градусов к нормали поверхности кварцевого керамического изделия преломляется и переходит в поперечную ультразвуковую волну, которая распространяется под углом к нормали 40-60 градусов. Поперечная ультразвуковая волна отражается от противоположной стенки кварцевого керамического изделия и под углом 40-60 градусов попадает на контролируемую поверхность. Затем часть поперечной ультразвуковой волны отражается от шероховатостей контролируемой поверхности (и царапины при ее наличии) и под углом 40-60 градусов распространяется к излучившему ее ультразвуковому преобразователю. Далее, поперечная ультразвуковая волна преломляется на границе сред кварцевая керамика - оргстекло, переходит в оргстекло, трансформируется в продольную ультразвуковую волну и попадает на излучивший ее пьезоэлемент. В соответствии с прямым пьезоэффектом пьезопластина начинает колебаться и вырабатывает электрический ток, который поступает на приемник ультразвукового дефектоскопа. Таким образом, осуществляется процесс контроля наличия царапин на поверхности кварцевых керамических изделий при помощи одного ультразвукового преобразователя.

Угол призмы 35-45 градусов определяется необходимостью получения максимальной амплитуды поперечной ультразвуковой волны, отраженной от царапины, т.е. чувствительностью контроля. Максимальная амплитуда поперечной ультразвуковой волны, отраженной от царапины, получается при ее перпендикулярном падении на отражающую плоскость царапины, которая может изменяться в диапазоне от 40 до 60 градусов. В качестве материала призмы используется оргстекло, в котором ультразвуковая продольная волна частотой 5-10 МГц затухает и рассеивается незначительно. Применение для ультразвукового контроля рабочей частоты преобразователя 5-10 МГц обусловлено особенностями материала контролируемого изделия – кварцевой керамики и соответствующей шероховатости поверхности.

С целью регистрации эхо-сигналов при отражении поперечных ультразвуковых волн от шероховатостей поверхности керамического изделия на бездефектном участке изделия определяют на дефектоскопе временной интервал (строб), зависящий от толщины стенки контролируемого кварцевого изделия и скорости распространения в нем ультразвуковой волны, а также призмы ультразвукового преобразователя. На дефектоскопе устанавливается величина строба контроля, которая должна превышать уровень эхо-сигналов от шероховатости поверхности. Начало временного интервала контроля определяется по удвоенному времени распространения ультразвуковой волны в призме ультразвукового преобразователя и в кварцевой керамике. Величина временного интервала определяется максимальной величиной предполагаемой царапины и не превышает 5 микросекунд.

Границы участка (реперные линии) сканирования и тип сканирования – продольно-поперечное - определяются удобством проведения ручного контроля для дефектоскописта. При проведении контроля шаг сканирования должен быть не более половины размера пьезоэлемента пьезоэлектрического преобразователя для перекрытия диаграммы направленности и исключения пропуска царапин.

На фиг. 1 представлена реализация заявленного способа, где ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 2 через призму из оргстекла 3 излучает продольные ультразвуковые волны, трансформирующиеся на поверхности изделия 1 в поперечные волны, которые падают на противоположную поверхность кварцевого керамического изделия, отражаются от нее и от шероховатостей данной поверхности.

На фиг. 2 показан внешний вид экрана дефектоскопа при контроле уровня эхо-сигналов в стробе контроля (временном интервале) при: а) отсутствии царапины при контроле на частоте 5 МГц; б) при наличии царапины при контроле на частоте 5 МГц; в) при отсутствии царапины при контроле на частоте 10 МГц; г) при наличии царапины при контроле на частоте 10 МГц.

На фиг. 3 показано перемещение преобразователя 2 при сканировании участка изделия вдоль и поперек царапины 4, когда выявлен повышенный эхо-сигнал в установленный временной интервал.

На фиг. 4 показано продольно-поперечное сканирование, где представлено: а) продольное перемещение ультразвукового преобразователя 2 для определения протяженности царапины; б) поперечное перемещение ультразвукового преобразователя 2 для определения глубины царапины. При продольном перемещении ультразвукового преобразователя 2 вдоль царапины определяются координаты ультразвукового преобразователя 2 в момент возникновения эхо-сигнала от царапины и до момента его исчезновения. Протяженность царапины определяется по расстоянию между координатами начального и конечного положения ультразвукового преобразователя. При поперечном перемещении ультразвукового преобразователя поперек царапины определяются координаты ультразвукового преобразователя в момент возникновения эхо-сигнала от верхней части царапины и до момента возникновения эхо-сигнала от нижней части царапины. Глубина царапины определяется при помощи геометрического расчета, учитывающего координаты начального и конечного положения ультразвукового преобразователя.

Осуществление заявленного способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь V543 фирмы Olimpys частотой 5 МГц, устанавливают на призме из оргстекла с углом ввода продольной ультразвуковой волны 35 градусов как показано на фиг. 1. Преобразователь подключают к ультразвуковому дефектоскопу OmniScan MX. Далее включают дефектоскоп и загружают из его памяти конфигурацию (настройку) для указанного преобразователя. Затем наносят кистью тонкий слой контактной жидкости (водный спиртовой раствор) на бездефектный участок контролируемого изделия из кварцевой керамики, избегая образование пузырей и потеков жидкости. Далее на этом бездефектном участке изделия определяют временной интервал (строб), составляющий 20 мкс. На дефектоскопе устанавливают соответствующую величину строба контроля, как показано на фиг. 2, а. Затем перемещая ультразвуковой преобразователь по поверхности контролируемого изделия, сканируют смоченный контактной жидкостью участок изделия, при этом на экране дефектоскопа следят за отраженными эхо-сигналами, превышающими установленный строб контроля. Как показано на фиг. 2, б, при появлении эхо-сигнала превышающего по амплитуде на 6 дБ уровень строба контроля, фиксируют наличие царапины на поверхности контролируемого изделия. Далее на участке изделия, на котором выявили превышение амплитуды эхо-сигнала на 6 дБ относительно установленного уровня строба, проводят сканирование, перемещая преобразователь вдоль и поперек царапины, причем шаг перемещения не превышает половину размера пьезоэлемента преобразователя, как показано на фиг. 3. Длину царапины определяют по пути перемещения ультразвукового преобразователя вдоль царапины, как показано на фиг. 4, а. Глубину царапины определяют, перемещая преобразователь поперек царапины, как показано на фиг. 4, б.

Пример 2. Способ ультразвукового контроля выполняют аналогичным образом, приведенном в примере 1. При этом ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь настраивают на рабочую частоту 10 МГц и устанавливают на призму с углом ввода 45 градусов. На бездефектном участке изделия определяют временной интервал (строб), составляющий 24 мкс. На дефектоскопе устанавливают соответствующую величину строба контроля, как показано на фиг. 2, в. При появлении эхо-сигнала превышающего по амплитуде на 5 дБ уровень строба контроля, фиксируют наличие царапины на поверхности контролируемого изделия, как показано на фиг. 2, г.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит повысить точность обнаружения царапин на поверхности кварцевых керамических изделий.

Изобретение относится к области ультразвукового контроля заготовок на наличие внутренних дефектов. Способ включает воздействие на заготовку ультразвуковыми волнами, фиксацию ультразвуковых сигналов, возникших в результате воздействия на заготовку ультразвуковыми волнами, посредством по меньшей мере одного сенсора, формирование ультразвуковой томограммы заготовки на основании ультразвуковых сигналов и анализ упомянутой томограммы на предмет выявления внутренних дефектов заготовки.

Ультразвуковой способ определения параметров поверхности катания головки рельса и глубины залегания продольных трещин // 2788475

Использование: для определения параметров поверхности катания головки рельса и глубины залегания продольных трещин. Сущность изобретения заключается в том, что устанавливают на поверхность катания и подголовочные поверхности головки рельса пары электроакустических преобразователей в виде линеек электроакустических преобразователей, сонаправленных друг на друга, линейки расположены поперек продольной оси рельса, количество пьезопластин в линейках выбирают из условия требуемого разрешения, зондируют головку рельса, для чего излучают ультразвуковые сигналы с подголовочных поверхностей и принимают на поверхности катания, измеряют время распространения ультразвуковых импульсов и вычисляют высоту головки рельса по линиям зондирования, при наличии продольно ориентированной трещины принимают эхо-сигналы от трещины и по времени распространения вычисляют глубину залегания дефекта, причем ввод и прием ультразвуковых колебаний производят через гибкие протекторы, адаптирующиеся к поверхностям головки рельса, измерения производят при неподвижных электроакустических преобразователях одновременно в нескольких плоскостях зондирования головки рельса, при вычислении контуров поверхности катания рельса и продольной трещины учитывают время задержки ультразвуковых сигналов в элементах линеек и в протекторах.

Способ зеркально-теневого ультразвукового контроля с адаптивным пороговым уровнем // 2787948

Использование: для формирования адаптивного порогового уровня обнаружения дефектов при ультразвуковом контроле протяженных изделий, в частности, железнодорожных рельсов и других изделий с плоскопараллельными поверхностями (металлопрокат, тавровые элементы и т.п.). Сущность изобретения заключается в том, что с помощью электроакустического преобразователя с заданным шагом излучают в изделие зондирующие ультразвуковые сигналы, принимают отраженные от противоположной поверхности изделия донные сигналы, оценивают их амплитуды, перемещают электроакустический преобразователь по поверхности изделия, формируют огибающую амплитуд донных сигналов, исходя из текущего значения амплитуд донных сигналов, корректируют пороговый уровень обнаружения дефектов, при этом формируют окно анализа, скользящее синхронно с перемещением электроакустического преобразователя, в указанном окне определяют распределение амплитуд донных сигналов, по полученному распределению определяют флуктуационный уровень амплитуд, ниже которого находится заданная доля сигналов с наиболее низкими амплитудами, с учетом донных сигналов, амплитуды которых выше флуктуационного уровня, определяют базовый уровень и относительно него устанавливают пороговый уровень обнаружения дефектов.

Способ неразрушающего контроля керамических изделий ультразвуковым методом // 2787645

Использование: для неразрушающего контроля керамических изделий ультразвуковым методом. Сущность изобретения заключается в том, что контроль для определения формы дефекта выполняется блоком ультразвуковых преобразователей частотой 5-10 МГц и диаметром пьезоэлементов 10-20 мм ультразвуковыми волнами, излучаемыми и принимаемыми поочередно прямым ультразвуковым преобразователем и наклонными под углом 15° к корпусу блока ультразвуковыми преобразователями, реализующим способы контроля прямым и однократно отраженным лучами от внутренней стенки керамического изделия эхо- и зеркально-теневыми методами контроля, форма несплошности в материале стенки керамического изделия ультразвуковым методом контроля определяется при помощи блока ультразвуковых преобразователей по максимальной амплитуде отраженной от несплошности ультразвуковой волны и ее затенении, уменьшении амплитуды, при прохождении через несплошность, перемещая блок ультразвуковых преобразователей вдоль и вокруг поверхности контролируемого изделия, протяженность несплошности определяется по перемещению блока ультразвуковых преобразователей и амплитуде отраженной от несплошности ультразвуковой волны, затем вычисляется ее эквивалентная площадь, при этом угол наклона блока ультразвуковых преобразователей относительно оси контролируемого изделия в процессе контроля не изменяется.

Ультразвуковой катящийся преобразователь для неразрушающего контроля // 2787644

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой катящийся преобразователь для неразрушающего контроля содержащит П-образный корпус, полый цилиндрический пьезоэлемент, протектор, установленный с возможностью вращения вокруг собственной оси, скользящие токосъемники, установленные в корпусе, при этом корпус, выполненный из стали, является разъемным в плоскости, проходящей через плоскость вращения пьезоэлемента, и состоит из двух частей, которые изолированы между собой посредством электроизолирующей прокладки, при этом в одной из частей корпуса установлен разъем с проводами, соединяющимися с каждой из частей корпуса для электрического снабжения токосъемников из сплава на основе меди, установленных внутри соосных отверстий корпуса и электрически соединенных с пьезоэлементом, при этом между пьезоэлементом и протектором установлен и жестко присоединен к ним тонкостенный цилиндр из инструментальной углеродистой стали.

Система неразрушающего контроля методом tofd (варианты) // 2785788

Использование: для проведения ультразвукового неразрушающего контроля методом ToFD. Сущность изобретения заключается в том, что система неразрушающего контроля методом ToFD согласно вариантам изобретения состоит из комбинаций излучателя и приемника, основанных на четырех вариантах конструкции пьезоэлемнта излучателя и двух вариантах конструкции пьезоэлемнта приемника.

Способ ультразвукового контроля головки рельса // 2785606

Использование: для ультразвукового контроля головки рельса. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхность катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают блок пьезоэлектрических преобразователей и перемещают вдоль продольной оси рельса, при этом используют одну пару наклонных пьезоэлектрических преобразователей, развернутых перпендикулярно к продольной оси рельса, направленных в сторону боковых, соответственно, рабочей и нерабочей граней головки рельса, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах: зонах радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса, а также переотраженных сигналов от радиусного перехода боковой и верхней, соответственно с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для определения наличия дефекта, блоком пьезоэлектрических преобразователей принимают многократно переотраженные сигналы, находящиеся во временной зоне между радиусными переходами боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и радиусными переходами боковой и верхней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для измерения величины смещения акустического блока пьезоэлектрических преобразователей относительно продольной оси симметрии рельса определяют разницу времени сигналов, принятых каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей в отдельности, направленных в сторону рабочей и нерабочей граней головки рельса от зон радиусных переходов боковой и нижней, также боковой и верхней, соответственно с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для измерения бокового износа рельса, определяют время принятых сигналов наклонными пьезоэлектрическими преобразователями от зон радиусного перехода боковой и верхней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и сравнивают со временем от зон радиусного перехода боковой и верхней граней головки в новом рельсе; для измерения вертикального износа рельса определяют время принятых сигналов от зон радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и сравнивают со временем от зон радиусного перехода боковой и верхней граней головки в новом рельсе.

Ультразвуковой способ оценки дефектов в головке рельсов и определения профиля поверхности катания // 2785302

Использование: для оценки дефектов в головке рельсов и определения профиля поверхности катания. Сущность изобретения заключается в том, что в окрестности предполагаемого дефекта на поверхность катания и на обе подголовочные поверхности головки рельса устанавливают пары взаимонаправленных электроакустических преобразователей, перемещают их по указанным поверхностям вдоль головки рельса, зондируют головку рельса, для чего преобразователями с обеих подголовочных поверхностей излучают ультразвуковые сигналы и принимают их преобразователями на поверхности катания, фиксируют границы дефекта теневым методом, совместно анализируют их и определяют размеры и ориентацию дефекта, при этом возбуждение и прием ультразвуковых колебаний проводят линейками пьезопластин, размещенных поперек головки рельса в роликовых преобразователях с упругой оболочкой, количество пьезопластин в линейках выбирают исходя из требуемой разрешающей способности, оценку внутреннего дефекта и вычисление профиля поверхности катания рельсов производят с учетом сигналов, полученных всеми приемными преобразователями.

Способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов // 2784692

Использование: для контроля полимерных композитных материалов (ПМК) и идентификации дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.

Устройство и способ для виброакустического анализа промышленного оборудования, содержащего вращающиеся части // 2783860

Использование: для виброакустического анализа молотильно-дробильного оборудования. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для виброакустического анализа молотильно-дробильного оборудования включает по меньшей мере один датчик для получения данных о вибрации, средства обработки данных с возможностью получения и извлечения из полученных от датчиков данных о режимах работы оборудования, при этом устройство снабжено по меньшей мере одним датчиком для получения данных об акустических колебаниях и средствами машинного обучения, выполненными в виде нейроморфного чипа и связанными со средствами обработки данных для распознавания и/или запоминания режимов работы оборудования.