Расчетное определение формы сварного дефекта по результатам ультразвукового контроля

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 А_д относят его координаты X_д и Y_д, 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

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

  для цилиндра Ø 2bдлиной 2b        

  для полосы шириной 2b  

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;

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;

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;

j - угол между нормалью к поверхности отражателя и нормалью к поверхности ввода ультразвуковых колебаний;

dи d_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;

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 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)

, 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 α - угол ввода (α=68°):

Коэффициент прохождения А₀^’для металла проконтролированного объекта:

, (9)

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

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

d_ок - коэффициент затухания ультразвука в контролируемом объекте

(d_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=2,04мм.

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)

. 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

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(q)(29)

Результаты расчета сведены в таблицу 7 и 8.

Таблица 7 - Значения

Отражатель          b, мм      B  в точке 2        Значения  в точке 2B

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 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.