Опыт разработки и применения ЭМА преобразователей для бесконтактного УЗК в промышленности

Введение

Группа исследователей кафедры физики Университета Уорика специализируется на бесконтактных методах преобразования ультразвука, уделяя особое внимание электромагнитно-акустическим преобразователям (ЭМАП) и лазерному возбуждению ультразвука. Исследования бесконтактных способов возбуждения ультразвука имели две основные предпосылки. Во-первых, ультразвуковые методы испытаний имеют достаточно большой потенциал, чтобы заменить многие существующие методы диагностики, которые используются в лабораториях и на поточных линиях в производстве. Во-вторых, важным путем развития ультразвуковых методов является использование бесконтактных способов возбуждения. В данной работе описаны несколько примеров применения бесконтактного способа возбуждения ультразвука.

Применения бесконтактного возбуждения ультразвука

Измерение толщины

Одно из основных применений ультразвука - измерение толщины. Традиционно оно выполняется посредством измерения времени между эхо-импульсами от задней стенки изделия, как показано на рис. 1, после чего толщина вычисляется через заданное в приборе значение скорости. При измерении толщины металлического изделия ЭМАП может обеспечить высокую точность измерения. По сравнению с традиционными контактными преобразователями продольной волны ЭМАП имеет такие достоинства, как широкую полосу пропускания и возможность нормального излучения и приема поперечной волны, а также:

ЭМАП не требует контактных жидкостей или гелей, хотя зазор между преобразователем и изделием обычно не может превышать нескольких миллиметров;

ультразвуковые колебания возбуждаются электромагнитным полем, которое не чувствительно к перекосам при установке ЭМАП на изделие, следовательно отсутствуют ошибки измерения толщины, вызванные преломлением звука на границе «преобразователь-объект контроля»;

- ЭМАП может возбуждать поперечные волны в широкой полосе частот, что позволяет достигнуть более высокой точности измерения по сравнению с обычными ПЭП продольной волны.

Нами были разработаны специализированные приборы, совмещающие в одном корпусе высоковольтный широкополосный генератор зондирующих импульсов и усилитель приемного тракта. Эти приборы предназначены для использования с ЭМАП поперечной волны и могут быть подключены к внешним устройствам, например к цифровому осциллографу. Фотография такой системы приведена на рис. 2.

Одно из основных промышленных применений ЭМАП - контроль толщины стенки трубок паровых котлов и иных стальных объектов, работающих при высокой температуре. Использование малогабаритных широкополосных ЭМАП совместно с обычным ультразвуковым дефектоскопом для измерения толщины стенки трубок паровых котлов было впервые опробовано в Университете Уорик почти 20 лет назад. При наиболее благоприятных условиях можно использовать ЭМАП на бойлерных трубах, просто подключая его к подходящему ультразвуковому дефектоскопу, который обычно используется с ПЭП. Однако при высоких температурах часто отмечается образование окисленного слоя металла, как, например, показано на рис. 3.

Контроль кристаллической структуры листового проката

Отжиг или обработка металлов давлением, например, при прокате, вызывает изменение взаимного расположения кристаллитов, формирующих микроструктуру листа. Зерна металла вытянуты и ориентированы преимущественно в направлении прокатки или перпендикулярно к поверхности листа. Эта ориентация определяется предшествующими технологическими операциями, составом сплава и кристаллическими характеристиками материала. Металлы с кубической кристаллической решеткой, такие как алюминий или сталь, в большинстве своем анизотропны, имеют ортотропную симметрию, поэтому их свойства зависят от направления механической обработки. В данной работе рассматривались алюминиевые образцы, однако, полученные результаты так же верны и для ферритных или аустенитных сталей.

Можно отметить небольшие изменения упругих свойств и кристаллической структуры листового проката, при точных измерениях скорости симметричной моды волны Лэмба нулевого порядка. По этим результатам можно получить количественные оценки кристаллической структуры.

ЭМАП с приспособлениями, используемыми для получения этих данных, управляемый с помощью компьютера, представляет собой стендовый измерительный прибор, как показано на фотографии на рис. 5. Бесконтактный способ обеспечивает высокую точность измерения, что позволяет зафиксировать малые различия упругих свойств, обусловленные кристаллографической структурой.

НК рельса, головки рельса и поверхности катания

Усталостные трещины на поверхности катания развиваются от поверхности головки рельса в течение продолжительного времени, причем их развитию более подвержены изогнутые участки профиля рельса. На рис. 6 представлена фотография образца, содержащего множество поперечных трещин.

Контроль рельсов в пути производится ультразвуковым методом и скорость обследования обычно не превышает 30 - 50 км/ч. Низкая скорость ограничивает возможность регулярного контроля многих участков пути. Кроме того, большинство серьезных дефектов, которые могут развиться в головке рельса, трудно выявить с использованием существующего в настоящее время оборудования. Схема на рис. 7 поясняет эту проблему, связанную с тем, что малый дефект может маскировать более крупный, глубже расположенный дефект. Одна из причин, ограничивающих скорость контроля традиционными методами - необходимость наличия контактной жидкости между преобразователем и рельсом. Использование ЭМАП и бесконтактные ультразвуковые измерения, опробованные как для контроля рельсов, так и колесных пар, все еще остаются объектом исследований, осуществляемых рядом международных исследовательских групп. Поскольку используемая нами поверхностная мода имеет характеристики, схожие с таковыми для классической поверхностной волны Рэлея, будем для задач, рассмотренных в данной работе, считать поверхностную волну волной Рэлея.

В случае, когда поверхностная трещина находится между излучателем и приемником, она до определенной степени будет экранировать прохождение рэле-евской волны. Амплитуда рэлеевской волны уменьшается с глубиной в образце, и большая часть энергии некоторой частоты спектра сигнала сосредоточена в поверхностном слое толщиной приблизительно в одну длину волны. Это приводит к тому, что разные частоты спектра проникают на различные глубины под поверхностью образца, следовательно, по степени «экранирования» различных частей спектра принятого сигнала можно сделать вывод о глубине трещины. Мы использовали алгоритм быстрого преобразование Фурье для разложения сигнала рэлеевской волны на частотные составляющие для дальнейшего анализа.

ЭМАП, использованный в данной работе, был разработан и собран на факультете физики Университета Уорика. При работе в эхо-импульсном режиме ЭМАП закреплялись жесткой стальной полосой, как видно на рис. 9, где приведена фотография первого макета. Полоса удерживает два ЭМАП и обеспечивает постоянное расстояние между ними. Достоинство ЭМАП состоит в том, что они обеспечивают возбуждение ультразвуковых колебаний посредством электромагнитного поля, поэтому они относительно не чувствительны к неточности установки и шероховатостям поверхности по сравнению с контактными преобразователями. Принимаемые импульсы рэлеевской волны имели эффективную частоту около 150 - 250 кГц и ширину спектра до 400 кГц.

Заключение

В статье рассмотрены результаты лишь части исследований в области бесконтактного УЗК, проведенных на факультете физики Университета Уорика. Полученные результаты имеют большое промышленное и научное значение. Лицензия на коммерческое использование большинства из описанных в статье устройств принадлежит компании Sonemat Ltd.



Просмотров: 2452

Дата: Пятница, 07 Сентября 2012

Новости