Акустические Контрольные Системы

Приборы для неразрушающего контроля металлов, пластмасс, бетона. Разработка, производство, поставка.

(495) 800-74-62

market@acsys.ru

К.т.н. Самокрутов А.А., д.т.н. Бобров В.Т., д.т.н. Шевалдыкин В.Г., к.т.н. Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А.В.

Введение

Технология производства и высокие требования к надежности при эксплуатации сложных авиационных и космических систем требуют решения целого ряда задач, связанных с измерением акустическими методами и приборами таких параметров, как время распространения ультразвуковых колебаний или его приращение, и получением на их основе расчетным путем значений толщины, скорости распространения ультразвуковых колебаний, анизотропии проката и его упругих характеристик. Одновременно, измерение амплитуды акустических сигналов позволяет определить наличие нарушений сплошности или качество неразъемных соединений (сварных, паяных, клеевых), оценить по характеру изменения амплитуд многократных эхо-сигналов степень коррозионного или эрозионного поражения, нарушения клеевого соединения.

Ультразвуковой контроль толщины стенки тонкостенных корпусов и элементов конструкций, труб топливопроводов является одним из важнейших направлений технической диагностики авиакосмических систем. При этом контроль проводят как в цеховых условиях предприятий авиакосмической промышленности, так и в ремонтных цехах, ангарах и на открытых площадках. Для обеспечения эффективного производства и безопасной эксплуатации аэрокосмической техники были созданы и освоены в эксплуатации несколько поколений ультразвуковых толщиномеров, предназначенных для автоматизированного и ручного контроля [1-7]. Однако большая часть из них морально и физически устарела, а многие вновь разработанные обладают весьма существенными недостатками. К ним относятся низкая производительность и достоверность при использовании пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), наличие большого количества влияющих факторов, отсутствие систем обработки сигналов и регистрации результатов, что снижает достоверность контроля.

Ограничения ультразвукового метода измерения толщины

Погрешность ультразвукового метода измерения толщины зависит от целого ряда влияющих факторов, накладываемых следующими ограничениями:

 

Исследование влияния различных факторов на погрешность измерения толщины металлоконструкций с применением ультразвуковых методов, выполненные в [1-4], показали, что основным фактором при использовании ПЭП, определяющим погрешность измерения толщины в зависимости от свойств материала, является вариация скорости распространения УЗ колебаний в направлении прозвучивания. При этом, поскольку калибровка ультразвуковых толщиномеров осуществляется по специальным калибровочным или эталонным образцам, возникающая относительная погрешность измерений равна относительным отклонениям действительного значения скорости УЗК в изделии от значения скорости, принятого при калибровке. Для исключения влияния разброса скорости УЗК при изготовлении стандартных образцов, как правило, в качестве исходной используется заготовка, из которой изготавливаются все образцы для данного аттестуемого комплекта. Однако, при применении указанных образцов для калибровки толщиномера перед контролем конструкций, изготовленных из проката, автоматически вносится погрешность, связанная с отличием условий распространения УЗК в направлении проката при прозвучивании образца и поперек проката при прозвучивании реального изделия. Поэтому при повышении требований к точности измерения толщины, возникает необходимость точного измерения скорости распространения УЗК в заданном направлении прозвучивания контролируемого материала, изготовления и аттестации соответствующих образцов для калибровки толщиномеров.

В связи с тем, что в зависимости от акустических и геометрических характеристик контролируемых изделий (толщины стенки, кривизны, шероховатости и непараллельности поверхностей и затухания УЗК в материале), амплитуда и форма многократных эхо-сигналов существенно изменяются [1], при проведении измерений возникает опасность внесения ошибок, связанных с флуктуацией амплитуды и потерей полуволны эхо-сигналов из-за влияния внешних факторов. Нестабильность качества акустического контакта, ухудшение которого приводит к уменьшению амплитуды эхо-сигналов и увеличению уровня помех, как справедливо отмечается в [1], связана как с субъективными факторами, так и с физическими свойствами контактной среды (жидкости или смазки).

Дополнительную погрешность, связанную с искажением формы и флуктуациями амплитуды сигнала, вносит механический износ, повреждения в виде царапин, выбоин и сколов рабочей поверхности ПЭП, находящейся в контакте с поверхностью контролируемого изделия, и разрушения акустического экрана в связи с чем уменьшается отношение сигнал/помеха. В процессе эксплуатации толщиномеров при отклонении температуры контролируемых изделий и призм ПЭП от принятой при юстировке отсчетного устройства вносится дополнительная погрешность, обусловленная физическими характеристиками материала изделия и призм. Наконец, существенную роль играют погрешности, связанные с влиянием таких характеристик изделия, как кривизна, шероховатость и непараллельность поверхностей изделия.

Все рассмотренные ограничения, за исключением связанных с влиянием качества акустического контакта и конструктивных элементов ПЭП, играют существенную роль и при использовании ЭМА преобразователей [8].

Для исключения или ослабления влияния указанных видов погрешностей на ее суммарное значение рекомендуется проводить корректировку вводимого юстировочного значения скорости распространения УЗК и показаний толщиномера на юстировочном образце, изготовленном из материала контролируемого изделия или близкого по акустическим свойствам, использовать целый ряд методических приемов, повышать требования к квалификации операторов, технологии и процедуре регистрации результатов контроля, что при проведении массового контроля толщины значительно усложняет процесс проведения измерений и снижает их достоверность.

Представленные в [5-7] электромагнитно-акустические (ЭМА) толщиномеры также не решают проблему снижения погрешности, повышения достоверности и автоматизации регистрации результатов контроля изделий, что связано с отсутствием в их составе систем обработки сигналов и неоптимальной конструкцией ЭМА преобразователей.

Принцип действия ЭМА толщиномера

Наиболее активно ультразвуковые толщиномеры используются для массового производственного контроля толщины различных марок алюминиевого проката в авиакосмической промышленности, предъявляющей к используемым методам и приборам измерения толщины весьма жесткие требования. Контролю подлежит листовой прокат, изделия цилиндрической и сферической формы в состоянии после прокатки или химфрезерования, при этом диапазон измеряемых толщин составляет 1 - 25 мм, минимальный радиус кривизны цилиндрических и сферических изделий ~ 1 м. При разбросе скоростей распространения ультразвуковых колебаний в пределах от 2500 до 6500 м/с допустимая погрешность измерения толщины не должна превышать 0,01 мм.

В соответствии с этими требованиями в ООО "Акустические Контрольные Системы" выполнены исследования и разработан портативный ЭМА толщиномер А1270 [8].

Основным отличием ЭМА тощиномера является то, что при его использовании не требуется создания акустического контакта, так как УЗК возникают непосредственно в поверхностном слое контролируемого металла (рис. 1). Толщиномер обеспечивает измерение толщины изделий из сплавов алюминия в диапазоне от 0,5 до 100 мм эхо-методом с применением ЭМА возбуждения и приема УЗ колебаний. Наиболее эффективно в алюминиевых сплавах с использованием ЭМА преобразования возбуждаются сдвиговые горизонтально-поляризованные волны (смещение частиц параллельно поверхности изделия), скорость распространения которых почти в 2 раза меньше скорости распространения продольной волны, что обеспечивает возможность измерения существенно меньших толщин проката из алюминиевых сплавов.

Рис. 1. Способ ЭМА возбуждения и приема сдвиговых горизонтально-поляризованных (SH) волн

Высокий в сравнении с другими металлами коэффициент двойного преобразования в алюминиевых сплавах в сочетании с использованием энергонезависимых постоянных магнитов на основе сплава "Неодим-железо-бор" (Nd-Fe-B) обеспечили возможность создания портативного толщиномера с малогабаритными ЭМА преобразователями (ЭМАП) совмещенного типа, обеспечивающими возбуждение и прием сдвиговых горизонтально-поляризованных волн в диапазоне рабочих частот от 2,5 до 5 МГц.

Другим принципиальным отличием толщиномера А1270 от предшественников является применение корреляционной обработки сигналов, что позволило практически исключить влияние изменения формы и амплитуды эхо-сигналов на погрешность измерений.

Толщиномер с помощью ЭМА преобразователя периодически возбуждает в контролируемом объекте короткие импульсы УЗК. С помощью этого же преобразователя импульсы многократно-отраженных ультразвуковых колебаний преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и поступают в электронный блок толщиномера.

Применение ЭМА преобразователя позволило реализовать еще одно принципиальное отличие толщиномера А1270 - непрерывное сканирование контролируемого изделия в процессе измерения толщины. В связи с этим алгоритмом обработки информации предусмотрен режим поиска и индикации минимальной толщины контролируемого изделия или отдельного участка. Одновременно с отображением измеренной толщины обеспечивается индикация установленной скорости распространения УЗ колебаний.

Устройство и возможности ЭМА толщиномера

Толщиномер А1270 (рис. 2) состоит из электронного блока, в состав которого входят микроконтроллер (МК), блок цифровой обработки сигналов, усилитель, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП), графический дисплей, клавиатура, USB-контроллер и источник питания, а также ЭМАП с встроенным блоком генератора импульсов возбуждения и предварительным усилителем.

Рис. 2. Функциональная схема ЭМА толщиномера А1270

После усиления и амплитудно-цифрового преобразования сигналов, их корреляционной обработки и выполнения вычислительных операций информация об измеренной толщине объекта контроля (ОК) сохраняется в памяти толщиномера, выводится на экран дисплея и в необходимых случаях с помощью USB интерфейса передается в ПК для более детального исследования или постоянного хранения. Толщиномер А1270 может работать в двух режимах измерения: основной режим измерения толщины (по умолчанию) и режим поиска и индикации минимальной толщины. Если в основном режиме измерения не произошло (не подключен или не установлен на изделие преобразователь, объект неконтролепригоден - отсутствуют информативные сигналы), на дисплее отображается только служебная информация. Если произошло измерение, на дисплее крупными цифрами отображается измеренная толщина в мм и выдается звуковой сигнал, подтверждающий факт измерения.

В случае необходимости более тщательных исследований состояния металла объекта контроля (дефекты, коррозия и т.д.) включается режим А-развертки, обеспечивающий возможность оценки состояния металла контролируемого объекта по амплитуде и форме эхо-сигналов, а также по характеру ослабления многократных эхо-сигналов.

Результаты измерения отображаются на дисплее в мм с дискретностью 0,01 мм в диапазоне толщин от 0,5 до 25 мм и 0,1 мм при измерении толщин более 25 мм. В качестве дисплея в приборе используется графический жидкокристаллический модуль с подсветкой при работе в условиях низкой освещенности. Толщиномер обеспечивает запись и сохранение в памяти более 2000 значений толщины, значение установленной или измеряемой скорости УЗК индицируется непрерывно.

В режиме поиска минимального значения толщины в заданной области контроля изделия после завершения цикла измерений на дисплее отображается минимальное значение толщины за весь цикл. Переключение режимов работы производится с помощью меню управления с клавиатуры.

Степень разряда аккуляторов отображается на дисплее прибора с помощью символа батареи. При использовании толщиномера в лабораторных и цеховых условиях предусмотрена возможность его питания от сетевого источника.

По конструктивному исполнению и эксплуатационным возможностям толщиномер является переносным портативным прибором для ручного ультразвукового контроля объектов в цеховых условиях и в условиях запыленности, повышенной влажности воздуха и умеренных осадков при работе на открытых площадках. Степень защиты от внешних воздействий соответствует IP65.

Для удобства работы оператора толщиномер комплектуется переносным чехлом, который позволяет закреплять его в произвольном положении на поясе или в нагрудном положении.

Наличие графического дисплея позволяет использовать ЭМА толщиномер в режиме дефектоскопии металла заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов типа расслоений, неметаллических включений, эрозионных и коррозионных повреждений.

К дополнительным возможностям при использовании прибора в качестве дефектоскопа узлов летательных аппаратов можно отнести контроль сотовых конструкций с обшивками из алюминиевых сплавов и контроль клееных конструкций из алюминиевых сплавов, обнаружение и оконтуривание зон коррозионного повреждения обшивки из алюминиевых сплавов самолетов различных модификаций.

Благодаря возможности использования ЭМА преобразователей, обеспечивающих возбуждение сдвиговых волн с линейной поляризацией и измерение скорости распространения волны с поляризацией вдоль и поперек направления прокатки, толщиномер позволяет оценить степень анизотропии проката.

Возможность подключения прибора к персональным компьютерам создает предпосылки его использования при проведении исследований и совершенствовании технологии обработки металла и как инструмент для регистрации и накопления информации о технологическом процессе производства и техническом состоянии сложных конструкций.

Технология измерений ЭМА толщиномером

Рис.3. Измерение толщины образца-свидетеля электронным микрометром

При производственном контроле толщины проката в условиях машиностроительных предприятий, когда ставится задача контроля толщины с погрешностью не хуже 0,01 мм, необходимо перед началом контроля выполнить юстировку толщиномера на образцах металла контролируемой партии проката. Для этого вырезают образец-свидетель небольших размеров (порядка 100х100 мм), измеряют его толщину, например, микрометром с цифровой индикацией (рис. 3) и устанавливают на дисплее толщиномера значение измеренной толщины. При этом автоматически в соответствующей строке индикатора дисплея отобразится значение скорости распространения сдвиговой волны. Возможно измерение с помощью микрометра непосредственно толщины кромки листа из подлежащей контролю партии проката.

Далее выполняют операцию адаптации толщиномера к объекту контроля, для чего полученное значение скорости УЗК с помощью режима "Настройка" вводят в толщиномер.

Устанавливая ЭМАП на поверхность металла проката и, перемещая его по заданной траектории, проводят контроль, в процессе которого на экране дисплея высвечивается значение измеренной толщины. При необходимости определения минимальной толщины в пределах проконтролированного участка используется режим поиска и индикации минимальной толщины, в этом случае по окончании цикла измерения на экране дисплея высвечивается значение минимальной толщины.

Каждый цикл измерения толщины завершается, при необходимости, сохранением результатов в памяти прибора, которые по окончании контроля через USB интерфейс передаются в базовый персональный компьютер для обобщения результатов контроля.

Некоторые результаты измерений

В ходе лабораторных и производственных испытаний экспериментального образца ЭМА толщиномера были проведены исследования эффективности возбуждения и приема различных типов ультразвуковых волн (сдвиговых горизонтально-поляризованных с радиальной и линейной поляризацией и продольных). Измерения толщины и скорости распространения ультразвуковых колебаний выполнялись на стандартных образцах и реальных образцах из сплавов различных марок, предоставленных ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Для проведения исследований разработан стенд, в состав которого включены стандартные приборы, цифровой осциллограф и персональный компьютер. Обработка сигналов осуществлялась с помощью стандартного и специально разработанного программного обеспечения.

Характерные реализации информативных сигналов при измерении малых толщин стандартных образцов и изделий и их автокорреляционные функции (АКФ) представлены на рис. 4 - 6. Особенно наглядно демонстрирует эффективность корреляционной обработки сигналов рис. 6, на котором показана реализация информативных сигналов с соотношением сигнал/шум, не превышающим 1,2 - 1,5 раза.

Рис. 4. Характерная реализация информативного сигнала и его автокореляционной функции для проката из алюминиевого сплавова толщиной 0,285 мм

Рис. 5. Характерная реализация информативного сигнала и его автокореляционной функции для проката из алюминиевого сплавова толщиной 1,855 мм

Рис. 6. Характерная реализация информативного сигнала и его автокореляционной функции для проката из алюминиевого сплавова толщиной 4,315 мм

По результатам испытаний установлено, что прибор обеспечивает высокую точность и повторяемость при измерении на аттестованных стандартных образцах и реальных изделиях.

В заключение авторы выражают благодарность проф. Гурвичу А.К. за внимание к работе и ценные замечания в процессе работы над рукописью статьи.

Выводы

  1. ЭМА толщиномер А1270 обеспечивает измерение толщины плоских, цилиндрических и сферических деталей и узлов из сплавов алюминия и регистрацию результатов контроля в условиях производства и эксплуатации авиакосмической техники.
  2. Толщиномер может использоваться для диагностики степени коррозионного поражения изделий по форме и характеру ослабления многократных эхо-сигналов, анизотропии проката и измерения скорости распространения УЗК при известной толщине образцов и изделий.

 

Литература

  1. Калинин В.А., Тарасенко В.Л., Цеслер Л.Б. Погрешности измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах // Дефектоскопия, 1988, №1, с.18-25.
  2. Калинин В.А., Тарасенко В.Л. Составляющие погрешности измерения ультразвуковыми толщиномерами с двухэлементными раздельно-совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями // Дефектоскопия, 1988 г., № 10, с.22-31.
  3. Шевалдыкин В. Г. Безэталонная толщинометрия на основе объемных акустических волн. // Дефектоскопия, 1985, № 9, с. 19 - 26.
  4. Kenneth A. Fowler, Gerry M. Elfbaum, Karen A. Smith and Thomas J. Nelligan. Theory and Application of Precision of Ultrasonic Thickness Gaging // NDTnet - October 1997, Vol.2, No.10.
  5. Герасенов Н. Ю., Ольшанский В. П. Портативный ЭМА толщиномер УВТ-03. // Дефектоскопия, 1990, №6, с. 80-82.
  6. Лещенко Н.Г., Шаповалов П.Ф. Малогабаритный ЭМА толщиномер ЭМАТ-1. // Дефектоскопия, 1993, №10, с.95-96.
  7. Клюев В.В., Мужицкий В.Ф., Безлюдько Г.Я. и др. Бесконтактный ультразвуковой толщиномер для измерения толщины стенки насосно-компрессорных труб// Контроль. Диагностика, 2002, №4, с. 43-44.
  8. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А.В. ЭМА толщиномер для авиакосмической промышленности. - XVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Санкт-Петербург,2002. Труды конференции, доклад 4.5.38, С.48.