Расчетное определение формы сварного дефекта по результатам ультразвукового контроля
ВВЕДЕНИЕ
При проведении ультразвукового контроля одной из важных его задач, наряду
с обнаружением дефектов является оценка их опасности, что зачастую можно
сделать, только измеряя дополнительные параметры дефектов. К таким параметрам
кроме амплитуды Ад относят его координаты Xд и Yд, условные протяженность DL, высота DН и ширина DZ.
Основной целью данной курсовой работы является определение формы
реального обнаруженного в металле дефекта, используя сравнение измеренных его
характеристик с расчетными данными для акустического тракта от различных
идеальных моделей дефектов (сфера, боковая поверхность цилиндра, плоский диск и
плоская полоса).
Курсовая работа выполнена в соответствии с [1]. Расчетное определение
формы дефекта по результатам ультразвукового контроля выполнено в соответствии
с [2].
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные
Наименование величины
|
Условное обозначение и ед. измерения
|
Значение
|
Основные параметры контроля и вспомогательные величины
|
Угол ввода
|
a, °
|
68
|
Радиус пьезопластины
|
а, мм
|
6
|
Скорость поперечной волны
|
Сt, мм/мкс
|
3,26
|
Частота колебаний
|
f,МГц
|
5
|
Путь, пройденный ультразвуковой волной в призме
преобразователя
|
rпр, мм
|
17,48
|
Скорость волны в призме ПЭП
|
Спэп, мм/мкс
|
2,57
|
Коэффициент затухания ультразвука в контролируемом объекте
|
d, мм-1
|
0,012
|
Коэффициент затухания ультразвука в СО-2
|
dсо, мм-1
|
0,012
|
Коэффициент затухания ультразвука в призме ПЭП
|
dпр, мм-1
|
0,05
|
Условная чувствительность
|
NCO-2, дБ
|
3,5
|
Угол раскрытия диаграммы направленности преобразователя
|
q, °
|
2,33
|
Измеренные характеристики дефекта
|
Максимальная амплитуда от отражателя относительно
настроенного порога срабатывания
|
N, дБ
|
3,79
|
Расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости
|
Х,
мм
|
38,6
|
Глубина залегания дефекта
|
Y, мм
|
14
|
Расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне
-9 дБ при приближении к отражателю
|
Хmin, мм
|
34
|
Глубина залегания дефекта при приближении к отражателю на уровне
-9 дБ
|
Ymin, мм
|
12
|
Расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне
-9 дБ при удалении от отражателя
|
Хmax, мм
|
43,3
|
Глубина залегания дефекта при удалении от отражателя на уровне -9
дБ
|
Ymax, мм
|
15
|
1. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ
Акустические тракты от идеальных отражателей рассчитываются по обобщенной
формуле:
, (1)
где А0’ - учитывает изменение амплитуды колебаний на
приеме ультразвукового преобразователя при генерации и прохождение
ультразвуковой волной границ раздела сред (призма преобразователя-металл и
обратно, металл-дефект и т. п.);
Е - учитывает затухание ультразвуковой волны на пути ультразвука от
пьезоэлемента до пьезоэлемента.
Параметры А0’ иЕизменяются в зависимости от
метода контроля и схемы прозвучивания объекта, а параметр В кроме того
ещё и от типа отражателя. Все значения указанных параметров для эхо- и
эхо-зеркального методов приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Формулы для компонент составляющих расчетное значение
акустического тракта эхо- и эхо-зеркального методов контроля
Компоненты
|
Эхо-метод
|
Эхо-зеркальный метод
|
А0’
|
А0 ·Dlt · Dtl
|
А0 ·Dlt · Dtl ·Rд · Rп
|
В
|
для сферы Ø 2b
|
|
|
|
|
|
|
для цилиндра Ø 2bдлиной 2b
для полосы шириной 2b
Перечисленные в таблице величины имеют следующий физический
смысл:
А0 - величина зондирующего импульса, В;
Dlt - коэффициент прохождения ультразвука на границе оргстекло
призмы преобразователя - металл контролируемого объекта;
Dtl - коэффициент прохождения ультразвука на границе металл
контролируемого объекта - оргстекло призмы преобразователя (при возвращении
сигнала после отражения от дефекта а приемный преобразователь);
Rд - коэффициент отражения на границе сред металл - материал несплошности
(для границы металл - воздух имеет значение 1);
Rп - коэффициент отражения на границе сред металл - поверхность
соприкасающаяся с донной (для границы металл - воздух имеет значение 1);
Sa’ - мнимая площадь преобразователя, определяемая для
дисковых пьезопластин в мм2, используемых для контроля;
a - радиус стандартного преобразователя;
a - угол ввода ультразвука;
b - угол призмы преобразователя;
b - размер отражателя, мм;
l - длина волны, мм, определяемая в зависимости от скорости
ультразвука в стали и частоты колебаний;
r - расстояние до отражателя для эхо-метода, мм;
rпр - путь, пройденный ультразвуковой волной в призме преобразователя, мм;
rи - расстояние от излучающего преобразователя до отражателя, мм;
rп - расстояние пройденное ультразвуком от отражателя до приемного
преобразователя, мм;
j - угол между нормалью к поверхности отражателя и нормалью к
поверхности ввода ультразвуковых колебаний;
dи dпр - коэффициент затухания ультразвука в контролируемом металле и оргстекле
призмы преобразователя соответственно, мм-1;
J1- функция Бесселя первого рода для дискового отражателя определяемая по
формуле:
J1= (2)
где
n - коэффициент равный 0,14
k - волновое
число;
q - угол
раскрытия диаграммы направленности преобразователя.
Ф(q) -
диаграмма направленности преобразователя в зависимости от угла раскрытия
основного лепестка, изменения которой приведено на рисунке 1.
Рисунок
1 - Зависимость значения диаграммы направленности стандартного
пьезоэлектрического преобразователя от угла отклонения от акустической оси (в
декартовых координатах)
По измеренным характеристикам дефекта определяем значения условной
протяженности ΔL и условной
высоты ΔH дефекта (рисунок2):
, (3)
, (4)
где
Хmax
- расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне -9 дБ при
удалении от отражателя (Хmax= 43,3
мм);
Хmin - расстояние
до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне -9 дБ при приближении к
отражателю (Хmin= 34 мм);
Ymax
- глубина залегания дефекта при удалении от отражателя на уровне -9 дБ (Ymax= 15 мм);
Ymin
- глубина залегания дефекта при приближении к отражателю на уровне -9 дБ (Ymin= 12 мм):
2
1 3
а) б)
, 2, 3 - положения преобразователя относительно дефекта, соответствующие:
1 - максимуму сигнала от дефекта; 2 - снижению амплитуды на заданную величину
дБ при приближении к дефекту; 3 - снижению амплитуды на заданную величину дБ
при удалении от дефекта;
Рисунок 2 - Способ измерения условных размеров дефекта (а), б - вид
экрана дефектоскопа
Определяем необходимые для дальнейшего расчета величины.
Длина волны в металле:
, (5)
где
Ct - скорость поперечной волны (Ct=3,26мм/мкс);
f - частота
колебаний (f=5МГц):
.
Волновое
число:
, (6)
.
Расстояние
до дефекта:
, (7)
где
Х - расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости (Х = 38,6
мм);
Y - глубина
залегания дефекта (Y= 14 мм):
.
Расстояние
до зарубки:
, (8)
где
α - угол ввода (α=68°):
Коэффициент
прохождения А0’для металла проконтролированного
объекта:
, (9)
где
dпр
-коэффициент затухания ультразвука в призме ПЭП (dпр=0,05
мм-1);
dсо-2 - коэффициент затухания ультразвука в СО-2 (dсо-2=0,012
мм-1);
dок - коэффициент затухания ультразвука в контролируемом
объекте
(dок=
0,012 мм-1);
rпр - путь, пройденный ультразвуковой волной в призме
преобразователя (rпр=17,48
мм):
.
Угол
призмы при этом составляет:
, (10)
где
Спэп- скорость волны в призме ПЭП (Спэп=2,765мм/мкс):
.
Площадь
мнимого преобразователя:
, (11)
где
а - радиус пьезопластины (а=6мм):
.
Коэффициент
прохождения ультразвуковой волны в стандартном образце АСО:
, (12)
.
Учитывая,
что амплитуда сигнала от дефекта составляет Nд = 3,79дБ, найдём значение Aд:
, (13)
.
Значения Ад, А0’ и Едля дефекта в
проконтролированном материале определены, неизвестно только В, т. к. в
этом компоненте неизвестно реальное значение размера b и неизвестно какого типа отражателем
является дефект. Поэтому исходим из того, что дефект может быть любой из предполагаемых
форм и рассчитаем значениеВиb для всех типов отражателей в соответствии с таблицей:
, (14)
.
Выражая b из формул в
таблице 1, получаем следующие значения.
Для сферы:
, (15)
.
Для
цилиндра:
, (16)
.
Для
дискового отражателя, при условии нормального падения волны на него (составляющая,
включающая функцию Бесселя равна 0,5):
, (17)
.
Для
полосы (также при нормальном падении):
, (18)
.
Используя формулы 1 и 2, и формулы таблицы 2, рассчитаем значения b при условиях отклонения угла наклона
дефекта от нормального падения ультразвукового луча, при этом теперь
задействована функция диаграммы направленности при приеме луча (которая по
рисунку 1 для углов отклонения 3° и 6°
соответствует 0,77 и 0,14). То есть формула для расчетаВ выглядит так:
, (19)
;
.
Причем
В3=В-3, а В6=В-6
потому, что у преобразователя диаграмма направленности симметричная.
Далее
запишем формулу для определения составляющей В дискового отражателя:
В=, (20)
Откуда
выражая b, получаем:
. (21)
Начнем
расчет для случая, когда дефект отклоняется от нормального падения
ультразвуковой волны на 3°. Результаты расчета приведены в таблице 3.
Таблица
3 - Результаты расчетаb2 при
отклонении дефекта от нормального падения ультразвуковой волны на 3°
Левая часть
|
Правая часть
|
b2
|
0,5
|
-55,6141
|
1
|
-36,1028
|
1,5
|
-24,6895
|
2
|
-16,5916
|
2,5
|
-10,3104
|
3
|
-5,17828
|
3,5
|
-0,83913
|
2,919614
|
4,5
|
6,23506
|
5
|
9,200826
|
По полученным данным строим график (рисунок 3). Точка пересечения линий
является искомым b2.
Рисунок 3 - Графический метод определения b2
Из графика видно, чтоb2 =4,2,
а следовательно b=2,04мм.
Случай, когда дефект отклоняется от нормального падения ультразвуковой
волны на 6°для дискового
отражателя не рассчитывается, т.к.arcsin> 1.
Проводим расчет для полосы с неограниченной длиной и шириной 2b. Формула параметраВ выглядит
так:
, (22)
из
чего после сокращений и преобразований выражаем b:
. (23)
Подставляем
в формулу известные значения, которые и для отрицательных углов также
получаются одинаковыми из-за симметрии. Полученные данные приведены в таблице
4.
Таблица
4 - Расчетные значения размера b дефекта для плоских
отражателей при отклонении нормали к поверхности дефекта от угла падения
(ввода)
j-a,°
|
b диска, мм
|
b полосы, мм
|
3
|
2,04
|
32,98
|
6
|
Под arcsin> 1
|
Под arcsin> 1
|
. РАСЧЕТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ДЕФЕКТА
Определяем измененные значения расстояний до дефекта для обоих случаев,
то есть при нахождении преобразователя в точках 2 и 3 рисунка 2:
, (24)
. (25)
,
.
Учитывая
изменения направления оси диаграммы направленности относительно центра
отражателя, определяем изменение углов q. Исходя из
геометрических данных рисунка 2, эти углы находятся по формулам:
, (26)
, (27)
где
φ
- значения углов, равные , , .
Расчет
по формулам (25), (26) сведен в таблицу 5.
Таблица
5 - Значения углов в точках 2 и 3
|
В точке 2 ()В точке 3 ()
|
|
-3,361,32
|
|
|
-3,511,38
|
|
|
-3,311,3
|
|
|
-3,601,42
|
|
|
-3,431,35
|
|
|
По графику рисунка 1 определяем значения функций диаграмм направленности
для каждого рассчитываемого случая (таблица 6).
Таблица
6 - Значения функций диаграмм направленности
|
В точке 2 В точке 3
|
|
0,731
|
|
|
0,711
|
|
|
0,751
|
|
|
0,71
|
|
|
0,721
|
|
|
Рассчитываем последовательно по формуле 1 и таблице 2 значение всех Ад
для всех видов отражателей при смещении преобразователя в точки 2 и 3 рисунка
2, а затем рассчитываем относительное снижение этого значения в дБ по формуле:
, (28)
Адэ
= А0’···Ф(q)(29)
Результаты
расчета сведены в таблицу 7 и 8.
Таблица
7 - Значения
Отражатель b, мм B в
точке 2 Значения в точке 2B
в точке 3Значения в точке 3
|
|
|
|
Сфера
|
26,68
|
0,26
|
0,02
|
0,16
|
0,01
|
Цилиндр
|
7,74
|
0,26
|
0,02
|
0,16
|
0,01
|
2,04
|
0,34
|
0,02
|
0,21
|
0,012
|
Диск (φ-α) = -3
|
2,04
|
0,34
|
0,02
|
0,21
|
0,012
|
Диск (φ-α) = 0
|
1,66
|
0,52
|
0,04
|
0,32
|
0,02
|
Полоса (φ-α) = 3
|
32,98
|
0,16
|
0,009
|
0,11
|
0,006
|
Полоса (φ-α) = -3
|
32,98
|
0,16
|
0,009
|
0,11
|
0,006
|
Полоса (φ-α) = 0
|
0,84
|
0,24
|
0,018
|
0,17
|
0,01
|
Таблица 8 - Результаты расчетов акустических трактов от искусственных
отражателей
Отражатель
|
b, мм
|
Амплитуда, дБ при смещении преобразователя с оси на мм
|
|
|
r2
|
0
|
r3
|
Сфера
|
26,68
|
3,1
|
0
|
-2,9
|
Цилиндр
|
7,74
|
3,1
|
0
|
-2,9
|
Диск (φ-α) = 3
|
2,04
|
3,1
|
0
|
-1,3
|
Диск (φ-α) = -3
|
2,04
|
3,1
|
0
|
-1,3
|
Диск (φ-α) = 0
|
1,66
|
9,1
|
0
|
3,1
|
Полоса (φ-α) = 3
|
32,98
|
-3,8
|
-7,4
|
Полоса (φ-α) = -3
|
32,98
|
-3,8
|
0
|
-7,4
|
Полоса (φ-α) = 0
|
0,84
|
2,2
|
0
|
-2,9
|
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ДЕФЕКТА
Результаты расчетов акустических трактов от искусственных отражателей
лучше представить в виде графиков (рисунок 4).
Рисунок 4 - Изменения амплитуды расчетных и экспериментальных данных для
эталонных отражателей типа диска и полосы от угла отклонения f-a
По графику зависимости видно, что наиболее близкой к прямой порогового
уровня точкой пересечения обладают кривые диска. Но, учитывая погрешность
измерений, наиболее приближенным значением обладает точка отклонения
соответствующая примерно 2,5°.
Теперь можно точно рассчитать эквивалентные размеры дефекта, взяв за
основу расчеты для диска.
Используя
формулу (19) рассчитаем новое значениеВ, где взято для угла 2,5°, при этом :
.
Рассчитываем
значения b по формуле (21) в соответствии с алгоритмом решения.
Получаем b2=3,6мм,
отсюда b = 1,9.
, (30)
.
Определяем
истинные размеры дефекта в соответствии с данными рисунка 2 [2]:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ультразвуковой контроль сварных соединений и материалов основывается на
возможности ультразвука распространяться в контролируемом изделии, отражаясь от
границ материалов и внутренних дефектов. Звуковые волны в однородном материале
при ультразвуковом контроле не изменяют траектории движения. При ультразвуковом
контроле металла, рельсов или швов отражение акустических волн происходит в
силу раздела сред с разными акустическими сопротивлениями. Важно то, что чем
больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть всех звуковых
волн затем отразится и вернётся к приёмнику (при прохождении фронта волны через
границу раздела). Контроль сварных швов и соединений в частности основан на
том, что различные включения в металле довольно часто содержат воздух, который
имеет большее удельное акустическое сопротивление в сравнении с металлом. В
результате, за эти включение волны почти не проходят.
В данной курсовой работе был проведен расчет формы дефекта, найденного
ультразвуковым методом контроля.
По результатам ультразвукового контроля получены измеренные
характеристики обнаруженного дефекта. К ним относятся условная
чувствительность, координаты дефекта, условные размеры.
Проведенные расчеты и построенные по ним графики показали, что дефект
имеет форму диска, эквивалентную площадь отражения 11,34мм2, и
наклонен относительно поверхности ввода на 2,5°. Данный дефект является
недопустимым и сварной шов признается негодным.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
сварной
дефект ультразвуковой контроль
1СТО СГУПС
1.01СДМ.01-2012. Система управления качеством. Курсовой и дипломный проекты.
Требования к оформлению.
Расчетное
определение формы дефекта по результатам ультразвукового контроля. Метод.указ.
к выполнению курсовых проектов по дисциплине «Неразрушающий контроль объектов
железнодорожного транспорта» для студентов специальности «Стандартизация и
сертификация» / Сост. А. Л. Бобров. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2005. - 20 с.