Расчетное определение формы сварного дефекта по результатам ультразвукового контроля

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 А_д относят его координаты X_д и Y_д, условные протяженность L, высота Н и ширина Z.

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. Расчетное определение формы дефекта по результатам ультразвукового контроля выполнено в соответствии с.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Исходные данные

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.);
• B — определяет долю отраженной энергии от отражателя в сторону преобразователя;
• 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 эхои эхо-зеркального методов приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Формулы для компонент составляющих расчетное значение акустического тракта эхои эхо-зеркального методов контроля

Перечисленные в таблице величины имеют следующий физический смысл:

А₀ — величина зондирующего импульса, В;

D_lt — коэффициент прохождения ультразвука на границе оргстекло призмы преобразователя — металл контролируемого объекта;

D_tl — коэффициент прохождения ультразвука на границе металл контролируемого объекта — оргстекло призмы преобразователя (при возвращении сигнала после отражения от дефекта, а приемный преобразователь);

R_д — коэффициент отражения на границе сред металл — материал несплошности (для границы металл — воздух имеет значение 1);

R_п — коэффициент отражения на границе сред металл — поверхность соприкасающаяся с донной (для границы металл — воздух имеет значение 1);

S_a' - мнимая площадь преобразователя, определяемая для дисковых пьезопластин в мм², используемых для контроля;

a — радиус стандартного преобразователя;

— угол ввода ультразвука;

— угол призмы преобразователя;

b — размер отражателя, мм;

— длина волны, мм, определяемая в зависимости от скорости ультразвука в стали и частоты колебаний;

r — расстояние до отражателя для эхо-метода, мм;

r_пр — путь, пройденный ультразвуковой волной в призме преобразователя, мм;

r_и — расстояние от излучающего преобразователя до отражателя, мм;

r_п — расстояние пройденное ультразвуком от отражателя до приемного преобразователя, мм;

— угол между нормалью к поверхности отражателя и нормалью к поверхности ввода ультразвуковых колебаний;

и _пр — 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;

— угол раскрытия диаграммы направленности преобразователя.

Ф () — 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 ДL и условной высоты ДH дефекта (рисунок2):

(3)

(4)

где Х_max — расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне -9 дБ при удалении от отражателя (Х_max= 43,3 мм);

Х_min - расстояние до дефекта по горизонтальной плоскости на уровне -9 дБ при приближении к отражателю (Х_min= 34 мм);

Y_max — глубина залегания дефекта при удалении от отражателя на уровне -9 дБ (Y_max= 15 мм);

Y_min — глубина залегания дефекта при приближении к отражателю на уровне -9 дБ (Y_min= 12 мм):

2 1 3

а) б)

1, 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 C_t — скорость поперечной волны (C_t=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 б — угол ввода (б=68°):

.

Коэффициент прохождения А₀'для металла проконтролированного объекта:

(9)

где _пр -коэффициент затухания ультразвука в призме ПЭП (_пр=0,05 мм^-1);

_со-2 — коэффициент затухания ультразвука в СО-2 (_со-2=0,012 мм^-1);

_ок — коэффициент затухания ультразвука в контролируемом объекте

(_ок= 0,012 мм^-1);

r_пр — путь, пройденный ультразвуковой волной в призме преобразователя (r_пр=17,48 мм):

.

Угол призмы при этом составляет:

(10)

где С_пэп— скорость волны в призме ПЭП (С_пэп=2,765мм/мкс):

.

Площадь мнимого преобразователя:

(11)

где а — радиус пьезопластины (а=6мм):

.

Коэффициент прохождения ультразвуковой волны в стандартном образце А_СО:

(12)

.

Учитывая, что амплитуда сигнала от дефекта составляет N_д = 3,79дБ, найдём значение A_д:

(13)

.

Значения А_д, 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°

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=2,04 мм.

Случай, когда дефект отклоняется от нормального падения ультразвуковой волны на 6для 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)

2. 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. Исходя из геометрических данных рисунка 2, эти углы находятся по формулам:

(26)

(27)

где ц — значения углов, равные, , .

Расчет по формулам (25), (26) сведен в таблицу 5.

Таблица 5 — Значения углов в точках 2 и 3

По графику рисунка 1 определяем значения функций диаграмм направленности для каждого рассчитываемого случая (таблица 6).

Таблица 6 — Значения функций диаграмм направленности

Рассчитываем последовательно по формуле 1 и таблице 2 значение всех А_д 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)

А_д^э = А₀'· ··Ф ()(29)

Результаты расчета сведены в таблицу 7 и 8.

Таблица 7 — Значения

Таблица 8 — Результаты расчетов акустических трактов от искусственных отражателей

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 -

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=3,6 мм, 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 11,34 мм², 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.

2 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.