RU2442154C1 - Method for ultrasonic material structure inspection - Google Patents

Abstract

FIELD: ultrasonic inspection. ^ SUBSTANCE: transmitting transducer transmits ultrasonic wave pulses into the inspected product, the receiving transducer receives the wave which passed through the product, the wave transmission time is measured and the wave transmission speed is calculated. The said speed is used to inspect the structure of the material. The transmitting and the receiving transducers are positioned on one surface with a fixed distance between them; furthermore, a second receiving transducer is installed on the surface of the inspected product. The second transducers received the ultrasonic wave which passed through the product; the wave transmission time for the second receiving transducer is measured. The fixed distance between the transmitting transducer and the first receiving transducer, as well as the fixed distance between the transmitting transducer and the second receiving transducer should be equal, and the wave transmission speed is measured on the basis of wave transmission time for both first and second acoustic channels. ^ EFFECT: increased sphere of application; improved reliability and accuracy of the material structure inspection for large-size objects. ^ 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений, предназначено для неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для ультразвукового контроля структуры материала, в частности для определения формы графитовых включений в чугуне.The invention relates to the field of measurements, is intended for non-destructive testing by ultrasonic methods and can be used in various industries for ultrasonic testing of the structure of the material, in particular for determining the shape of graphite inclusions in cast iron.

Известен способ ультразвукового контроля структуры равномерно гетерогенных твердых материалов [Труды Таганрогского радиотехнического института. Прикладная акустика. 1971, вып.22 с.264-269], при котором одним преобразователем излучают импульсы ультразвуковой поверхностной волны в контролируемый материал, другим преобразователем принимают прошедшую через этот материал волну, измеряют время прохождения волны от излучателя к приемнику, определяют скорость волны, по которой оценивают структуру контролируемого материала.A known method of ultrasonic control of the structure of uniformly heterogeneous solid materials [Transactions of the Taganrog Radio Engineering Institute. Applied Acoustics. 1971, issue 22, p. 264-269], in which one transducer emits pulses of an ultrasonic surface wave into a controlled material, the other transducer receives the wave transmitted through this material, measures the wave propagation time from the emitter to the receiver, determines the wave velocity, according to which structure of the controlled material.

Однако недостатком данного способа является высокая погрешность измерения времени прохождения поверхностной ультразвуковой волны через контролируемый материал, обусловленная наличием помех в виде импульсов трансформированной поперечной волны, а также неадекватность структуры исследуемого материала структуре поверхности образца.However, the disadvantage of this method is the high measurement error of the transit time of the surface ultrasonic wave through the controlled material, due to the presence of noise in the form of transformed shear wave pulses, as well as the inadequacy of the structure of the studied material to the structure of the surface of the sample.

Известен способ контроля формы графитовых включений в чугуне [см. Koiwa M. Nondestructive Testing Now and Future. I mono, J., Jap. Foundrymen s Soc., 1987, n 3, h.127-132], при котором в контролируемый материал прямым преобразователем излучают импульсы ультразвуковой продольной волны, этим же преобразователем принимают первый и второй эхосигналы от противоположной поверхности, измеряют время между приемами первого и второго эхосигналов, измеряют толщину контролируемого изделия, по этим данным определяют скорость волны, по которой судят о форме графитовых включений в чугуне.A known method of controlling the shape of graphite inclusions in cast iron [see Koiwa M. Nondestructive Testing Now and Future. I mono, J., Jap. Foundrymen s Soc., 1987, n 3, h.127-132], in which pulses of an ultrasonic longitudinal wave are emitted into the controlled material by a direct transducer, the first and second echo signals from the opposite surface are received by the same transducer, the time between the receptions of the first and second echo signals is measured , measure the thickness of the controlled product, according to these data determine the wave speed, which is used to judge the shape of graphite inclusions in cast iron.

Недостатками этого способа являются необходимость замера толщины контролируемого изделия, высокий уровень электроакустической наводки, маскирующий донный эхо-сигнал и связанный с применением прямого совмещенного электроакустического преобразователя.The disadvantages of this method are the need to measure the thickness of the controlled product, a high level of electro-acoustic pickup, masking the bottom echo signal and associated with the use of a direct combined electro-acoustic transducer.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ ультразвукового контроля структуры материала [см. патент РФ №2060494, G01N 29/10, дата публикации 20.05.1996], заключающийся в том, что в контролируемое изделие излучают импульсы ультразвуковой продольной волны, принимают прошедшую через контролируемое изделие волну, измеряют время распространения волны, определяют скорость распространения волны, по которой оценивают структуру материала, причем используют ультразвуковую головную волну, а излучение и прием волны осуществляется разными преобразователями, которые расположены на одной поверхности и жестко скреплены между собой.Closest to the technical nature of the invention is a method of ultrasonic control of the structure of the material [see RF patent No. 2060494, G01N 29/10, publication date 05/20/1996], which consists in the fact that pulses of ultrasonic longitudinal waves are emitted into the controlled product, the wave transmitted through the controlled product is received, the wave propagation time is measured, and the wave propagation speed is determined by which evaluate the structure of the material, and use an ultrasonic head wave, and the radiation and reception of the wave is carried out by different transducers that are located on the same surface and rigidly bonded to each other.

К недостаткам известного способа контроля структуры материала можно отнести узкую область применения и низкую точность измерения. Действительно, известным способом можно измерять только скорость головной продольной волны, а не истинно продольной волны, причем измерения, а значит и исследования свойств материалов осуществляются в приповерхностных областях, а не в полном объеме объекта. При этом хорошо известно, что при изготовлении металлических изделий методом литья структура металла по сечению сильно зависит от ряда факторов, таких как размер изделия, температуры расплавленного металла и температура литьевой формы, скорости остывания и т.д.The disadvantages of the known method of controlling the structure of the material include a narrow scope and low measurement accuracy. Indeed, in a known manner, it is possible to measure only the velocity of the leading longitudinal wave, and not the true longitudinal wave, moreover, measurements and, therefore, studies of the properties of materials are carried out in the surface regions, and not in the entire volume of the object. It is well known that in the manufacture of metal products by casting, the cross-sectional structure of the metal strongly depends on a number of factors, such as the size of the product, the temperature of the molten metal and the temperature of the mold, cooling rate, etc.

Технической задачей изобретения является расширение области применения и повышение достоверности и точности контроля структуры материала крупногабаритных объектов.An object of the invention is to expand the scope and increase the reliability and accuracy of the control structure of the material of large objects.

Эта техническая задача достигается тем, что известный способ ультразвукового контроля структуры материала, заключающийся в том, что в контролируемое изделие излучающим преобразователем излучают импульсы ультразвуковой волны, приемным преобразователем принимают прошедшую через контролируемое изделие волну, измеряют время распространения волны, определяют скорость распространения волны, по которой оценивают структуру материала, а излучающий и приемный преобразователи располагают на одной поверхности на фиксированном расстоянии, на поверхности контролируемого изделия располагают второй приемный преобразователь, принимающий прошедшую через контролируемое изделие ультразвуковую волну, измеряют время распространения волны до второго приемного преобразователя, фиксированное расстояние от излучающего преобразователя до первого приемного преобразователя и фиксированное расстояние от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя выбираются разными, а скорость распространения волны определяют по значениям времени распространения волны в первом и втором акустических каналах.This technical problem is achieved by the fact that the known method of ultrasonic control of the structure of the material, which consists in the fact that ultrasonic pulses are emitted into the controlled product by the emitting transducer, the wave transmitted through the controlled product is received by the receiving transducer, the wave propagation time is measured, and the wave propagation speed is determined by which evaluate the structure of the material, and the emitting and receiving transducers are placed on one surface at a fixed distance, n the surfaces of the monitored product have a second receiving transducer that receives the ultrasonic wave transmitted through the monitored product, the wave propagation time to the second receiving transducer is measured, the fixed distance from the radiating transducer to the first receiving transducer and the fixed distance from the radiating transducer to the second receiving transducer are different, and the propagation speed waves are determined by the values of the wave propagation time in ne moat and second acoustic channels.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема расположения ультразвуковых преобразователей при реализации заявляемого способа ультразвукового контроля структуры материала, на фиг.2 приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ ультразвукового контроля структуры материала, на фиг.3 приведены осциллограммы сигналов, в контрольных точках структурной схемы устройства, реализующего заявляемый способ ультразвукового контроля структуры материала.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a layout of ultrasonic transducers when implementing the inventive method of ultrasonic monitoring of the material structure, Fig. 2 shows a structural diagram of a device that implements the inventive method of ultrasonic monitoring of the material structure, Fig. 3 shows waveforms of signals, control points of the structural diagram of a device that implements the inventive method of ultrasonic control of the structure of the material.

Способ ультразвукового контроля структуры материала осуществляется следующим образом.The method of ultrasonic control of the structure of the material is as follows.

На поверхности контролируемого изделия устанавливают три ультразвуковых преобразователя, из которых первый преобразователь излучающий, а второй и третий - приемные. Таким образом, формируются два акустических измерительных приемо-передающих канала. Первый измерительный канал образован первой парой преобразователей и состоит из излучающего преобразователя и первого приемного преобразователя, причем базовое расстояние между ними выбрано равным L1, а второй ультразвуковой измерительный канал образован второй парой преобразователей и состоит из излучающего преобразователя и второго приемного преобразователя, причем базовое расстояние между ними выбрано равным L2. Величина L1 выбирается не равной величине L2. Излучающим преобразователем формируют зондирующие импульсы ультразвуковой продольной волны, первым приемным преобразователем и вторым приемным преобразователем в каждом из акустических каналов принимают импульсы эхо-волны, отразившиеся от противоположной поверхности изделия и прошедшие через контролируемое изделие по разным акустическим путям. Измеряют значения интервалов Т1 и Т2 задержки прохождения ультразвуковой волны в контролируемом изделии от излучающего преобразователя до первого и второго приемных преобразователей. Так как излучающий преобразователь и первый приемный преобразователь установлены на известном расстоянии L1 один от другого, а значение величины Т1 измерено в процессе эксперимента, то скорость распространения ультразвуковой волны может быть определена по следующей формуле:Three ultrasonic transducers are installed on the surface of the controlled product, of which the first transducer is emitting, and the second and third are receiving ones. Thus, two acoustic measuring transceiver channels are formed. The first measuring channel is formed by the first pair of transducers and consists of a radiating transducer and a first receiving transducer, the base distance between them being chosen equal to L1, and the second ultrasonic measuring channel is formed by a second pair of transducers and consists of a radiating transducer and a second receiving transducer, and the base distance between them selected equal to L2. The value of L1 is not chosen equal to the value of L2. The emitting transducer generates probing pulses of an ultrasonic longitudinal wave, the first receiving transducer and the second receiving transducer in each of the acoustic channels receive echo wave pulses reflected from the opposite surface of the product and passed through the controlled product through different acoustic paths. The values of the intervals T1 and T2 of the delay in the passage of ultrasonic waves in the controlled product from the emitting transducer to the first and second receiving transducers are measured. Since the emitting transducer and the first receiving transducer are installed at a known distance L1 from one another, and the value of T1 is measured during the experiment, the ultrasonic wave propagation velocity can be determined by the following formula:

где Н - неизвестная толщина контролируемого изделия.where H is the unknown thickness of the controlled product.

С другой стороны, так как излучающий преобразователь и второй приемный преобразователь установлены на известном расстоянии L2, а значение величины Т2 также измерено в процессе эксперимента, то скорость распространения ультразвуковой волны может быть определена по следующей формуле:On the other hand, since the emitting transducer and the second receiving transducer are installed at a known distance L2, and the value of T2 is also measured during the experiment, the propagation velocity of the ultrasonic wave can be determined by the following formula:

Решая совместно уравнения (1) и (2) можно получить выражение (3) для определения скорости С распространения ультразвуковой в контролируемом изделии:Solving equations (1) and (2) together, we can obtain expression (3) to determine the velocity C of ultrasonic propagation in a controlled product:

Так как контролируемый параметр структуры материала влияет на скорость прохождения волны, то по значению скорости С оценивают структуру материала, например форму графита в чугуне.Since the controlled parameter of the structure of the material affects the speed of the wave, the value of the speed C evaluates the structure of the material, for example, the shape of graphite in cast iron.

Одновременно заявляемый способ ультразвукового контроля структуры материала позволяет определить и толщину Н контролируемого изделия:At the same time, the claimed method of ultrasonic control of the structure of the material allows us to determine the thickness H of the controlled product:

Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ ультразвукового контроля структуры материала, содержит электроакустически последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 3, первый приемный преобразователь 4, первый входной усилитель 5 и вычислитель 6 скорости ультразвуковой волны, последовательно соединенные второй приемный преобразователь 7, второй входной усилитель 8, выход которого соединен с вторым входом вычислителя 6 скорости ультразвуковой волны, третий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, блок 9 задания базовых расстояний, первый и второй выходы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами измерителя 6 скорости ультразвуковой волны, и контролируемое изделие 10.The structural diagram of a device that implements the claimed method of ultrasonic control of the structure of the material contains an electro-acoustically connected synchronizer 1, a probe pulse generator 2, an emitting transducer 3, a first receiving transducer 4, a first input amplifier 5 and an ultrasonic wave velocity calculator 6 connected in series to a second receiving transducer 7 , the second input amplifier 8, the output of which is connected to the second input of the calculator 6 of the speed of the ultrasonic wave, the third input One of which is connected to the output of the synchronizer 1, the unit 9 for setting the base distances, the first and second outputs of which are connected respectively to the fourth and fifth inputs of the ultrasonic wave speed meter 6, and the controlled item 10.

Устройство, реализующее заявляемое техническое решение, работает следующим образом.A device that implements the claimed technical solution works as follows.

Синхронизатор 1 вырабатывает периодическую последовательность синхроимпульсов U₁(t), запускающую генератор 2 зондирующих импульсов, который возбуждает излучающий преобразователь 3 (U₂(t)), излучающий в контролируемом изделии зондирующую ультразвуковую волну. Ультразвуковая волна, отразившись от дна контролируемого изделия, принимается первым приемным преобразователем 4 (U₃(t)) и после усиления в первом входном усилителе 5 поступает на вход вычислителя 6 скорости ультразвуковой волны. Донный эхо-импульс, принимаемый вторым приемным преобразователем 7 (U₄(t)), усиливается по амплитуде во втором входном усилителе 8 и поступает на второй вход вычислителя 6 скорости ультразвуковой волны. На третий вход вычислителя 6 скорости ультразвуковой волны подается синхроимпульс (U₁(t)), отмечающий момент начала измерений протяженности интервалов задержки эхо-сигналов первого и второго акустического каналов. На четвертый и пятый входы вычислителя 6 скорости ультразвуковой волны подаются с первого и второго выходов блока 9 задания базовых расстояний сигналы, пропорциональные значениям расстояний L1 и L2 соответственно между излучающим преобразователем 3 и первым и вторым приемными преобразователями. Вычислитель 6 скорости ультразвуковой волны выделяет из совокупности эхо-сигналов донные эхо-сигналы первого и второго акустических каналов и определяет значения Т1 и Т2 задержки эхо-сигналов. Далее в соответствии с формулой (3) и на основании определенных значений Т1-Т2 и заданных значений величин L1 и L2 определяется значение величины скорости С, по которой оценивают структуру материала, в частности определяют форму графитовых включений в чугуне.The synchronizer 1 generates a periodic sequence of clock pulses U ₁ (t), which starts the probe pulse generator 2, which excites the emitting transducer 3 (U ₂ (t)), which emits a probing ultrasonic wave in the controlled product. The ultrasonic wave, reflected from the bottom of the controlled product, is received by the first receiving transducer 4 (U ₃ (t)) and, after amplification in the first input amplifier 5, is fed to the input of the ultrasonic wave speed calculator 6. The bottom echo pulse received by the second receiving transducer 7 (U ₄ (t)) is amplified in amplitude in the second input amplifier 8 and is fed to the second input of the ultrasonic wave velocity calculator 6. A sync pulse (U ₁ (t)) is fed to the third input of the ultrasonic wave velocity calculator 6, which marks the moment of the beginning of measurements of the length of the delay intervals of the echo signals of the first and second acoustic channels. The fourth and fifth inputs of the ultrasonic wave velocity calculator 6 are fed from the first and second outputs of the base distance setting unit 9, signals proportional to the values of the distances L1 and L2 respectively between the emitting transducer 3 and the first and second receiving transducers. The ultrasonic wave velocity calculator 6 extracts the bottom echo signals of the first and second acoustic channels from the set of echo signals and determines the values of T1 and T2 of the echo delay. Further, in accordance with formula (3) and based on certain values of T1-T2 and given values of L1 and L2, the value of the velocity C is determined by which the structure of the material is evaluated, in particular, the shape of graphite inclusions in cast iron is determined.

Использование изобретения позволяет повысить точность и достоверность структуроскопии сложноструктурных материалов, в частности определить формы графитовых включений в чугуне.The use of the invention allows to increase the accuracy and reliability of structuroscopy of complex structural materials, in particular to determine the forms of graphite inclusions in cast iron.

Claims (1)

Способ ультразвукового контроля структуры материала, заключающийся в том, что в контролируемое изделие излучающим преобразователем излучают импульсы ультразвуковой волны, приемным преобразователем принимают прошедшую через контролируемое изделие волну, измеряют время распространения волны, определяют скорость распространения волны, по которой оценивают структуру материала, а излучающий и приемный преобразователи располагают на одной поверхности на фиксированном расстоянии, отличающийся тем, что на поверхности контролируемого изделия располагают второй приемный преобразователь, принимающий прошедшую через контролируемое изделие ультразвуковую волну, измеряют время распространения волны до второго приемного преобразователя, фиксированное расстояние от излучающего преобразователя до первого приемного преобразователя и фиксированное расстояние от излучающего преобразователя до второго приемного преобразователя выбираются разными, а скорость распространения волны определяют по значениям времени распространения волны в первом и втором акустических каналах. The method of ultrasonic testing of the structure of the material, which consists in the fact that ultrasonic pulses are emitted into the controlled product by a radiating transducer, the wave transmitted through the controlled product is received by the receiving transducer, the wave propagation time is measured, the wave propagation speed is determined by which the material structure is evaluated, and the radiating and receiving the transducers are placed on one surface at a fixed distance, characterized in that on the surface of divisions have a second receiving transducer receiving an ultrasonic wave transmitted through the product being monitored, measure the propagation time of the wave to the second receiving transducer, a fixed distance from the radiating transducer to the first receiving transducer and a fixed distance from the radiating transducer to the second receiving transducer are different, and the wave propagation speed is determined according to the values of the wave propagation time in the first and second acoustic channels Oh.

Images