Влияние частоты упругих колебаний на амплитуду дифрагированного сигнала от вершин объемно-плоскостных дефектов

Язык труда и переводы:
УДК:
620.179.16
Дата публикации:
16 сентября 2021, 12:04
Категория:
А7. Технологии сварки и диагностики
Авторы
Козлов Денис Михайлович
ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Григорьев Михаил Владимирович
ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Аннотация:
В практике ультразвукового контроля сварных соединений достаточно часто применяют дифракционный амплитудно-временной метод, основанный на анализе времени прихода дифрагированных сигналов от вершин дефектов и амплитуды этих сигналов. Анализ амплитуды сигнала позволяет идентифицировать тип дефекта, время прихода сигнала — определить геометрические параметры. Проведено численное моделирование и экспериментальное подтверждение влияния частоты ультразвуковых колебаний на амплитуду сигналов от моделей объемно-плоскостных дефектов с различным радиусом вершины. Установлено, что чем выше частота контроля, тем меньше радиус вершины паза, на котором образуется дифрагированный сигнал с максимальным значением амплитуды.
Ключевые слова:
ультразвуковой контроль, дефект, идентификация, дифракционный амплитудно-временной метод, A-TOFD, частота, паз
Основной текст труда

Введение

Известно, что при контроле эхо-методом плоскостные дефекты, такие как трещины, могут быть зарегистрированы, если они перпендикулярны направлению распространения ультразвуковых колебаний или имеют незначительные отклонения. Дифракционно-временной метод неразрушающего контроля, или TOFD (time-of-flight diffraction), напротив, позволяет обнаруживать трещины любой ориентации, поскольку дифрагированный сигнал переизлучается во всех направлениях и поэтому может быть принят приемником независимо от ориентации трещины. Этот эффект также позволяет измерять размеры дефектов [1].

Дифракционно-временной метод базируется на одновременном использовании одного или двух идентичных наклонных пьезоэлектрических (ПЭП), при использовании двух — они расположены по разные стороны от дефекта [2]. Волны от излучателя, попавшие на дефект формируют на верхнем и нижнем краях дифракционные волны, которые принимаются приемником. Сигнал от нижнего кончика дефекта приходит с запозданием относительно верхнего. Измерив время прихода дифракционных волн от кончиков трещины и зная расстояние между ПЭП и толщину изделия, можно определить высоту дефекта. Амплитуды дифрагированных сигналов от кончиков дефектов очень малы, но на порядок больше амплитуд, возникающих от кончиков дефектов при контроле по совмещенной схеме, поэтому выявляемость плоскостных дефектов ДВМ значительно лучше, чем при совмещенной схеме. Амплитуды дифрагированных сигналов зависят от различных факторов, таких как сила сжатия поверхности дефекта, ориентация дефекта по отношению к преобразователям, форма самих кончиков дефекта [3].

В последнее время в практике ультразвукового неразрушающего контроля все большее распространение находит дифракционный амплитудно-временной метод (ДАВ), или А-TOFD (amplitude time-of-flight diffraction), который основан на регистрации не только времени прихода сигналов от дифрагированных на верхнем или нижнем кончиках дефекта продольных или поперечных волн, но и анализе амплитуды зарегистрированных сигналов. Анализ амплитуды дифрагированного сигнала позволяет идентифицировать тип дефекта, что является одним из основополагающих факторов при оценке остаточного ресурса конструкции.

К основным эксплуатационными преимуществам A-TOFD — метода, собственно как и для классического TOFD-метода, помимо обнаружения дефектов различной ориентации, можно отнести высокую производительность — за один проход проводится озвучивание всего сечения сварного соединения без использования поперечного сканирования, поскольку применяются ПЭП с широкой диаграммой направленности, высокая воспроизводимость результатов контроля, возможность достижения меньшей погрешности измерений по отношению к амплитудным методам, вносимой неоптимальным углом озвучивания, уровнем чувствительности и др.

В [4] проведены экспериментальные исследования влияния конфигурации источника дифракции на амплитуду сигнала. В качестве источника дифракции в этой работе рассмотрены вершины U-образных пазов, имитирующих объемно-плоскостные дефекты. Пазы выполнены электроэрозионным способом в образце из стали 3 на глубину 15 мм с радиусом вершины паза от 0,07 мм до 4,0 мм. Отмечено, что при увеличении радиуса вершины паза до 1,5 мм, амплитуда сигнала возрастает по логарифмическому закону, а при значениях радиуса вершины паза больше 1,5 мм амплитуда убывает по линейному закону. Изменение характера зависимости амплитуды дифрагированного сигнала в вершине паза радиусом 1,5 мм авторы [4] связывают с длиной волны, которая при частоте контроля 5 МГц составляет приблизительно 1,2 мм. Как известно, длина волны напрямую зависит от частоты контроля, которые связаны соотношением

\lambda =c/f,

где с — скорость ультразвуковой волны м/с; f — частота колебаний, МГц.

Цель настоящей статьи — исследование влияния частоты контроля на положение максимума амплитуды дифрагированного сигнала от нижней вершины U-образного паза, имитирующего объемно-плоскостной дефект, в зависимости от ее конфигурации. Полученные результаты позволят повысить информативность и вероятность идентификации дефектов при использовании дифракционного амплитудно-временного метода ультразвукового контроля.

Методы и результаты

Исследования проведены с использованием численного моделирования методом конечных элементов с последующим подтверждением результатов натурным экспериментом.

Используемое оборудование и экспериментальные образцы. Для проведения экспериментальных исследований использовались образцы, приведенные в  [4] с нанесенными U-образными пазами со следующими диаметрами вершины: 0,14; 0,2; 0,3; 0,4; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 7,0. Для проведения эксперимента применялся дефектоскоп Omniscan SX (Olympus) и комплект TOFD преобразователей с частотой 10 МГц (диаметр пьезоэлемента 3 мм), 15 МГц (диаметр пьезоэлемента 3 мм), а также 5 МГц (диаметр 6 мм) для уточнения результатов [4], которые монтировались в призмы для ввода продольной волны в сталь под углом 60°.

Исходные данные для проведения численного моделирования. Параметры моделей, настройки оборудования, условия ввода и приема акустических колебаний, схемы контроля для проведения расчета соответствуют тем же параметрам, используемым для проведения экспериментальных исследований, за исключением введения дополнительных моделей U-образного паза с диаметром вершины 1,5 и 2,5 мм для частоты контроля 5 и 10 МГц для подтверждения предположения о зависимости дифрагированного сигнала с максимальной амплитудой  и длиной волны.

Методика проведения эксперимента. Измерения амплитуды дифрагированного сигнала от нижней вершины паза проводились по раздельной схеме включения излучателя и приемника, расположенных симметрично относительно оси паза (рис. 1). Расстояние между преобразователями выбрано исходя из условия пересечения акустических осей в вершине паза. С целью исключения влияния качества акустического контакта на результаты измерений, эксперимент проводился с полным погружением образца в контактную среду (воду) и частичным погружением акустических преобразователей, а также изоляцией внутренней поверхности паза от попадания воды.

Рис. 1. Схема проведения эксперимента

Установленные зависимости, приведенные на рис. 2, показывают, что для частоты контроля 5 МГц дифрагированный сигнал с максимальной амплитудой образуется на вершине паза диаметром 2,5 мм, или радиусе паза r ≈ λ и значение составляет –1,1 дБ относительно сигнала, отраженного от донной поверхности. Характер зависимости соответствует описанному в [4], однако при диаметре вершины паза 1,0 мм наблюдается локальный минимум, связанный с образованием дополнительных волн.

Рис. 2. Влияние частоты колебаний f на амплитуду дифрагированного сигнала в зависимости от диаметра вершины паза

Для частоты контроля 10 МГц дифрагированный сигнал с максимальной амплитудой +0,9 дБ соответствует вершине паза диаметром 0,4 мм, т. е. r ≈ λ / 3, причем до этой конфигурации вершины характер зависимости резко возрастающий, далее — убывающий по линейному закону с увеличением диаметра вершины паза.

Для частоты контроля 15 МГц дифрагированный сигнал с максимальной амплитудой +2,3 дБ соответствует вершине паза диаметром 0,2 мм, т. е. r ≈ λ / 4. Характер зависимости аналогичен зависимости для частоты контроля 10 МГц, т. е. до конфигурации вершины с максимальной амплитудой характер зависимости резко возрастающий, далее — убывающий по линейному закону с увеличением диаметра вершины паза.

Как видно из представленных на рис. 2 зависимостей, полученных расчетным и экспериментальным путем, они имеют не только качественное совпадение их характера, но и количественное, что говорит об адекватности выбранных параметров моделей для проведения расчетов.

Заключение

В результате проведенного исследования были сделаны следующиев выводы.

  1. Дифрагированный сигнал от нижней вершины паза с максимальной амплитудой имеет нелинейную зависимость от параметров контроля: длины волны в зависимости от конфигурации вершины, т. е. чем выше частота контроля, тем меньше диаметр вершины паза относительно длины волны, на которой образуется дифрагированный сигнал с максимальной амплитудой.
  2. Приведенные зависимости могут быть использованы для выбора настроечных моделей для определения уровня опорного сигнала при контроле дифракционным амплитудно-временным методом.
Литература
  1. Григорьев М.В., Гурвич А.К., Гребенников В.В., Семерханов С.В. Ультразвуковой способ определения размеров трещин // Дефектоскопия. 1979. № 6. С. 50–56.
  2. Алешин Н.П. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений: учебное пособие. М.: Машиностроение. 2006. 368 с.
  3. Ермолов И.Н. Дифракционно-временной метод контроля // В мире неразрушающего контроля. 2001. № 2 (12). С. 7–11.
  4. Алешин Н.П., Григорьев М.В., Крысько Н.В. Влияние конфигурации вершины источника дифракции на амплитуду ультразвукового дифрагированного сигнала // Сварка и диагностика. 2019. № 6. С. 17–19.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.