Проектирование промышленных ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов

Проектирование промышленных ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов Паврос С. К., Голубев А. С., Добротин Д.Д.

1994 год

План Введение

1. ВНУТРЕННИЕ ДЕФЕКТЫ ЛИСТОВ И ИХ МЕТРИКА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ

1.1 Внутренние дефекты листов

1.2 Метрика внутренних дефектов

1.3 Акустическая модель протяженного расслоения

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИСТОВЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЕФЕКТОСКОПОВ И СПОСОБЫ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

2.1 Максимальная реальная чувствительность контроля к величине раскрытия расслоения

2.1.1 Влияние шероховатости поверхности листов при контроле теневыми методами

2.1.2 Влияние шероховатости поверхности листов — при контроле эхо-сквозным методом

2.1.3 Влияние шероховатости поверхности листов при контроле эхо-методом

2.1.4 Влияние непланшетности листового проката при ультразвуковом контроле

2.2 Минимальная толщина контролируемых листов

2.2.1 Характеристики ультразвуковых импульсов

2.2.2 Минимальная толщина листов, контролируемых методами прохождения

2.2.3 «Мертвая» зона при контроле методами отражения

2.3 Сканирование при автоматическом ультразвуковом контроле листового проката

2.3.1 Факторы, ограничивающие скорость сканирования

2.3.2 Механическое сканирование

2.3.3 Многоканальное электронное сканирование

3. ОБЩАЯ КОМПОНОВКА ДЕФЕКТОСКОПА. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ Список литературы

Введение

Одними из важнейших задач на современном этапе развития отечественной промышленности являются увеличение объемов и повышение качества толстолистового проката — основного конструкционного материала многоцелевого назначения.

Актуальность этих задач обусловлена, в первую очередь, необходимостью всемерной экономии металла. В нашей стране листовой прокат уже сейчас выпускается в больших количествах, однако потребности в нем народного хозяйства все время увеличиваются. Беспредельно наращивать выпуск металла по понятным причинам невозможно. Поэтому экономия металла вообще и проката, в частности, является актуальнейшей задачей современности.

Повышение качества проката — один из главных резервов экономии металла, так как это позволяет обеспечивать необходимую надежность изделий при уменьшении их металлоемкости. Распространенный недостаток листов — наличие в них внутренних дефектов, ослабляющих их прочность. Поэтому в комплексном решении задачи повышения качества проката значительное место отводится развитию дефектоскопии на металлургических заводах. Дефектоскопия не только преграждает путь некачественной продукции к потребителю; не менее важно и то, что она стимулирует совершенствование технологии производства. В конечном счете, это — главное для повышения качества выпускаемой продукции.

Организация неразрушающего контроля листового проката в больших масштабах требует новых технических средств — промышленных листовых высокопроизводительных автоматизированных дефектоскопов. В пособии рассматриваются методики расчета оптимальных параметров ультразвуковых систем автоматизированных средств контроля толстолистового проката, основанных на использовании основных методов ультразвуковой дефектоскопии.

1. ВНУТРЕННИЕ ДЕФЕКТЫ ЛИСТОВ И ИХ МЕТРИКА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ

1.1 Внутренние дефекты листов Внутренними дефектами изделий называют различного рода нарушения их сплошности, недопустимые по действующим ГОСТам и техническим условиям на данную продукцию. Основными типами несплошностей, по которым производится браковка листов, являются расслоения металла и скопления неметаллических включений.

Расслоения — это вытянутые в направлении прокатки плоскостные нарушения сплошности листа, расположенные приблизительно параллельно его граням на разных уровнях по толщине. Они имеют литейное происхождение, т. е. представляют собой раскатанные несплошности, встречающиеся внутри слитков: усадочные раковины, газовые пузыри, неметаллические включения и др. Наиболее распространены расслоения металла, заполненные неметаллическими включениями. Обычно — это частицы шлака, попадающие в расплав при нарушении технологии разливки металла. Значительная часть включений представляет собой частицы разрушающегося в процессе плавки огнеупорного кирпича, которым выложены изнутри плавильные агрегаты.

Расслоение характеризуется величиной его раскрытия (толщиной прослойки включения) и площадью в плоскости листа. Наиболее грубые расслоения, вызванные неметаллическими включениями, могут иметь раскрытие порядка сотен микрометров и площадь в несколько сотен квадратных сантиметров и более. Характер несплошности металла по площади расслоения неодинаков (рис. 1.1,а). Небольшие участки на шлифе выглядят как довольно ровные прослойки вещества включения (рис. 1.1,6). Периферийная часть таких расслоений, а также отдельные небольшие сильнодеформированные частицы хрупких фракций включений образуют строчечные включения (более или менее разреженный слой мелких частиц, расположенных приблизительно в одной плоскости). На шлифе они выглядят как строчки мелких включений (рис. 1.1,в). Крупные включения приводят к появлению в листах весьма грубых несплошностей в виде многослойных расслоений, сопровождаемых большим числом многострочечных и одиночных мелких включений (рис. 1.2). Своеобразным типом грубых несплошностей стальных листов является объемное засорение металла мелкодисперсными включениями, распределенными с высокой плотностью либо по всему объему, либо в пределах некоторой зоны по толщине листа.

Помимо рассмотренных макродефектов структуры листов, которые видны на шлифе в отраженном свете невооруженным глазом, на травленых шлифах под микроскопом даже при небольших увеличениях обнаруживаются мелкие несплошности: рассеянные по объему металла микровключения, группы мелких пор и отдельные поры размером до 0,5 мм микротрещины на границах зерен металла и др. Как правило, в процессе промышленной дефектоскопии они не выявляются. Поэтому при металлографическом исследовании образцов их можно обнаружить и в «сплошном» металле.

В наибольшей степени загрязнены неметаллическими включениями листы из конструкционной стали общего назначения, выплавляемой в большегрузных сталеплавильных агрегатах при форсированных режимах. Закономерности, описывающие распределения несплошностей по площади листов и по их толщине, пока не установлены. Однако считается, что в плоскости листов несплошности чаще встречаются в средней осевой зоне ближе к концу листа, соответствующего донной части слитка. По толщине листа они обычно сосредоточены также в средней части, равной приблизительно трети его толщины.

Большое количество мелких несплошностей, встречающихся в упомянутом металле, и практическая невозможность избавиться от них при существующей технологии вынуждают рассматривать такие несплошности как неизбежные элементы структуры металла этих листов. В настоящее время принято считать, что листы из конструкционной стали массового сортамента целесообразно браковать только по грубым несплошностям. Но даже при этом введение неразрушающего контроля позволяет существенно повысить качество проката, так как по характеру обнаруживаемых дефектов металлурги определяют причины возникновения брака и устраняют их. На производстве такой контроль часто осуществляют только для корректировки технологического процесса. Тогда его называют технологическим контролем.

Для получения более чистого металла, предназначенного для ответственных конструкций, его выплавляют при особо тщательном соблюдении технологии в плавильных агрегатах. Количество дефектов в листах из такого металла резко сокращается, и к техническому состоянию проката предъявляются повышенные требования. Поэтому оказывается необходимым браковать листы по наличию в них отдельных сравнительно небольших несплошностей. Наиболее чистый металл получают применением специальной технологии выплавки: вакуумным дуговым и электрошлаковым переплавом и другими способами. Но эти процессы очень энергоемки, соответствующее оборудование недостаточно производительно. Поэтому прокат из такого металла выпускается в небольших количествах для изготовления изделий особо ответственного назначения. Неразрушающий сдаточный контроль такого проката все равно необходим, так как упомянутая специальная технология уменьшает вероятность возникновения дефектов, но не исключает их полностью.

1.2 Метрика внутренних дефектов Впервые ультразвуковая дефектоскопия была предложена в 1928 г. в нашей стране чл.-кор.АН проф.С. Я. Соколовым. Им были также разработаны некоторые способы автоматизации процесса контроля и осуществлены первые попытки дефектоскопии листовых материалов[2].

По ряду причин массовый сдаточный контроль листов, к качеству которых предъявляются высокие требования, предпочтительно осуществлять с использованием иммерсионного способа прозвучивания, при котором акустический контакт ультразвуковых преобразователей с контролируемым листом осуществляется через толстый слой иммерсионной жидкости. Прозвучивание производят узким ультразвуковым пучком, формируемым пьезоэлектрическим преобразователем, ориентированным нормально к поверхности листа. В каждом положении преобразователей прозвучивается небольшой объем металла листа. Приближенно его можно рассматривать как цилиндр, высота которого равна толщине листа, а основание — сечению ультразвукового пучка. При соответствующем перемещении пучка (в процессе сканирования листа) последовательно прозвучивается весь объем металла.

В зависимости от соотношения диаметра ультразвукового пучка и размеров несплошностей последние принято разделять на два класса: протяженные и непротяженные. К протяженным несплошностям относят те, которые могут полностью перекрывать пучок. При этом он взаимодействует с ними как с бесконечно протяженными препятствиями. К непротяженным относят более мелкие несплошности, которые не перекрывают пучок.

Выявляемость несплошностей при ультразвуковой дефектоскопии принято оценивать реальной чувствительностью контроля. По она определяет минимальные размеры дефектов того или иного типов, уверенно выявляемых в изделиях определенного вида. В листах расслоения характеризуются и величиной раскрытия и размерами в плоскости листов. Поэтому применительно к контролю листового проката следует использовать два понятия о реальной чувствительности: по отношению к величине раскрытия расслоений и по отношению к их размерам в плоскости листов.

Реальную чувствительность контроля по отношению к величине раскрытия расслоений будем характеризовать минимальной величиной раскрытия выявляемых с заданной достоверностью протяженных расслоений и измерять ее в микрометрах.

Чтобы воспроизводить настройку дефектоскопа, обеспечивающую в определенных условиях необходимую реальную чувствительность контроля к величине раскрытия расслоений, используют понятие об условной чувствительности контроля. При контроле листового проката ее задают амплитудой регистрируемых сигналов, отсчитываемых в децибелах относительно начального уровня отсчета [4, 5]. За начальный уровень отсчета принимают:

амплитуду первого донного или первого прошедшего сигнала на участках листового проката, не содержащих несплошностей при контроле всеми методами ультразвуковой дефектоскопии, кроме эхо-сквозного;

амплитуду первого эхо-сигнала от искусственного плоскодонного отражателя диаметром Dэ контрольного образца при контроле эхо-методом;

амплитуду первого прошедшего сигнала на произвольном участке листа при контроле эхо-сквозным методом. Степень пораженности металла листа регистрируемой несплошностью в направлении прозвучивания определяется значениями задаваемой таким, способом чувствительности контроля. Значения условной чувствительности контроля и их обозначения приведены в табл.1.1*).

Степень пораженности металла несплошностями в плоскости листов по [4, 5] характеризуется показателями, связанными с понятием об условной, площади несплошности: площади участка листа, ограниченного условной границей несплошности. Условной границей называется геометрическое место положений центра преобразователя дефектоскопа в процессе сканирования листа, в которых амплитуда регистрируемого сигнала достигает величины, соответствующей заданной чувствительности контроля.

*)В табл.1.1 и далее по тексту условная чувствительность контроля в соответствии с принятой в ГОСТ 22 727–88 и ГОСТ 28 831–90 терминологией называется просто чувствительностью контроля, в отличие от реальной чувствительности.

Таблица I. I

Значения чувствительности контроля толстолистового проката по ГОСТ 22 727–88 и ГОСТ 28 831–90

Для оценки качества листов по результатам ультразвукового контроля ГОСТ 22 727–88 предусматривает следующие показатели:

условный размер L — максимальное расстояние между двумя точками, расположенными на условной границе несплошности;

условную площадь минимальной учитываемой несплошности S1. Несплошности, имеющие условную площадь S< S1, не учитываются;

словную площадь максимальной допустимой несплошности S2. Несплошности, имеющие условную площадь S>S2, считаются дефектами. Наличие в листе хотя бы одного такого дефекта является браковочным признаком;

условную площадь максимально допустимой зоны несплошности S3;

относительную условную площадь всех учитываемых при контроле несплошностей, находящихся на любом квадратном участке листа площадью 1 м², стороны которого ориентированы параллельно сторонам листа, или по всей площади листа, S, %. Если суммарная площадь всех учитываемых несплошностей превышает заданное значение, то это является браковочным признаком. Значения упомянутых показателей при контроле приведёны в табл.1.2.

Таблица 1.2

Показатели сплошности толстолистового проката

Таким образом, чтобы оценить сплошность листов по результатам ультразвукового контроля, необходимо, чтобы дефектоскоп обнаруживал несплошности относительно небольшой площади, которые подлежат учету. Иначе говоря, он должен обладать достаточной реальной чувствительностью к размерам несплошностей в плоскости листов.

Реальную чувствительность контроля по отношению к размерам расслоений в плоскости листов будем характеризовать минимальными размерами выявляемых с заданной достоверностью протяженных расслоений. Эта чувствительность определяется используемым шагом сканирования, о котором речь пойдет далее.

1.3 Акустическая модель протяженного расслоения Рассмотренные несплошности металла листов имеют разную структуру и поэтому неодинаково обнаруживаются ультразвуком. Грубые, несплошности типа многослойных расслоений и объемных засорений металла неметаллическими включениями значительно ослабляют ультразвуковые волны и поэтому легко обнаруживаются теневым методом. Однострочечные разреженные неметаллические включения, наоборот, обладают весьма высокой звукопрозрачностью. Их можно обнаружить только эхо-методом при высокой чувствительности контроля. Чтобы повысить реальную чувствительность контроля к таким расслоениям при наличии помех, требуется оптимизация параметров акустического тракта дефектоскопа, которую осуществляют расчетным путем с помощью акустической модели расслоения.

Наблюдаемые в эксперименте амплитудно-частотные зависимости коэффициентов отражения и звукопрозрачности расслоений удовлетворительно описываются моделью в виде плоскопараллельного слоя инородного вещества. Для стационарного волнового процесса коэффициенты звукопрозрачности и отражения такого слоя в зависимости от его волновой толщины описываются формулами Рэлея[6]:

;, (1.1)

где; и — удельные акустические сопротивления вещества слоя и металла листа.

Входящее в формулу значение удельного акустического сопротивления вещества слоя находится из сопоставления расчетных и экспериментальных данных. При этом вполне удовлетворительное совпадение характера зависимостей получается для волновых толщин слоя kpdp? р/2, где kpволновое число для заполняющего расслоение вещества; dp — величина раскрытия расслоения.

В области больших волновых толщин соответствие пропадает. В частности, экспериментально не наблюдается максимум звукопрозрачности, вытекающий из формулы Рэлея при kpdp = р. Здесь дополнительно нужно учитывать импульсный характер используемых сигналов и значительное поглощение ультразвука, реально существующее в заполняющем расслоение веществе. Эти факторы, а также рассеяние волн на неровностях граней расслоения, не учитываемое моделью, сглаживают резонансные явления. Учет данных факторов восстанавливает соответствие расчетных и экспериментальных зависимостей, однако аналитическое выражение для коэффициентов отражения и звукопрозрачности в таком случае получается очень сложным. Поэтому для оптимизации параметров акустического тракта дефектоскопов целесообразно использовать экспериментальные зависимости коэффициентов звукопрозрачности и отражения, которые удовлетворительно аппроксимируются выражениями:

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИСТОВЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЕФЕКТОСКОПОВ И СПОСОБЫ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ При проектировании дефектоскопа обеспечиваются заданные значения его характеристик, из которых основными являются:

максимальная реальная чувствительность контроля к величине раскрытия расслоения — характеризует способность дефектоскопа обнаруживать в листах тонкие несплошности;

максимальная реальная чувствительность к размерам расслоений в плоскости листов и точность регистрации условных размеров несплошностей — характеризуют возможность принятия однозначного решения о соответствии проконтролированного листа техническим условиям по ГОСТ 22 727–88;

минимальная толщина контролируемых листов — характеризует масштабы применимости дефектоскопа в листопрокатном производстве;

быстродействие (производительность) и надежность дефектоскопа в эксплуатации — характеризуют возможность его применения в производственном потоке.

Требуемые значения этих характеристик обеспечиваются соответствующим выбором частоты ультразвука, размеров излучающих и приемных датчиков, расстояния между ними, частоты посылок зондирующих импульсов и шага сканирования при определенной скорости движения листа в процессе контроля. Условия наилучшего обеспечения каждой из упомянутых характеристик в отдельности в общем случае противоречат друг другу. Поэтому задача проектирования состоит в нахождении оптимального варианта методом последовательных приближений. При этом, как правило, в первую очередь обеспечивается необходимая реальная чувствительность контроля.

2.1 Максимальная реальная чувствительность контроля к величине раскрытия расслоения Применению высокой условной чувствительности и, следовательно, достижению высокой реальной чувствительности при контроле теневым методам препятствует флуктуация амплитуд прошедших сигналов, которая обусловлена рассеянием волн на неровностях поверхности листов. Если регистрировать незначительное ослабление прошедших сигналов (использовать высокую чувствительность контроля), то флуктуационные уменьшения амплитуд будут фиксироваться как ложные дефекты, и контроль окажется практически невозможным.

Определенное ограничение на применение высокой чувствительности контроля накладывается также неучитываемым ослаблением сигналов при прохождении через изогнутые участки листов. По технологическим причинам изготавливать идеально плоские листы невозможно. Если плоскость листа в месте прозвучивания не строго перпендикулярна оси датчиков, то ультразвуковой пучок преломляется в сторону и принимаемый сигнал ослабляется даже в отсутствие дефекта. В результате изогнутая часть листа может зафиксироваться как сплошь дефектная. При этом истинное состояние ее внутренней структуры останется неизвестным.

Такие несовершенства поверхности в значительной степени сказываются при контроле относительно тонких листов теневым, многократно-теневым, зеркально-теневым и эхо-сквозным методами. При контроле листов эхо-методом реальная чувствительность может ограничиваться реверберационными помехами, влияние которых весьма значительно в изделиях из крупнозернистых материалов. Ограничивающим предельную чувствительность фактором при использовании эхо-сквозного метода является регулярная акустическая помеха, появляющаяся из-за трансформации звукового пучка на гранях листа.

Упомянутые факторы имеют различную физическую сущность, поэтому рассмотрим их влияние на величину максимальной чувствительности контроля по отдельности.

2.1.1 Влияние шероховатости поверхности листов при контроле теневыми методами Толстолистовой прокат получают горячей (при температуре около 800°С) прокаткой слитков и слябов на листопрокатных станах. Особенностью получаемых таким способом листов является шероховатость их поверхности, обусловленная различными факторами: наличием значительной шероховатости исходных слитков и слябов; шероховатостью прокатных валков стана, следами мелких частиц осыпавшейся окалины и многими другими факторами. Чем толще лист, тем больше шероховатость его поверхности.

Тонкий слой плотной окалины, прочно приставший к металлу, практически не препятствует прохождению ультразвука через лист. Такое состояние поверхности обычно характерно для относительно тонких листов. В этом случае, если в технических условиях на поставку листов обработка их поверхности специально не предусмотрена, такие листы контролируют по черновой шероховатой поверхности. Толстый слой рыхлой окалины, а также отслаивающаяся окалина препятствуют прохождению ультразвука. Обычно это характерно для листов большой толщины. Такие листы предварительно зачищают от окалины дробеструйной обработкой или шлифовальными кругами по всей поверхности на специальных станках. С этой же целью применяют также травление листов в кислоте. Однако шероховатость при этом все равно остается. В первом случае — это следы, оставляемые ударами металлической дроби; во втором — следы частиц абразива, из которых состоят шлифовальные круги; в третьем — исходная шероховатость без учета влияния окалины.

Таким образом, во всех случаях приходится прозвучивать листы, на поверхности которых имеются более или менее выраженные мелкомасштабные неровности того или иного типа. Далее пойдет речь о контроле листов с необработанной черновой поверхностью. Шероховатость в этом случае имеет случайный изотропный характер и достаточно полно описывается гауссовским законом плотности вероятностей распределения высот неровностей. Для выполнения необходимых расчетов достаточно характеризовать ее среднеквадратичной высотой неровностей и нормированной функцией корреляции высот N®, которая определяет характер неровностей. Можно принять N®=exp|-б r|, где r — расстояние между рассматриваемыми точками поверхности; б — параметр, определяемый при аппроксимации найденной корреляционной зависимости, которая получается путем соответствующего обсчета большого числа профилограмм поверхности с последующим усреднением результатов.

При прохождении ультразвукового пучка от излучателя 1 к приемнику 2 через лист 3 с неровными поверхностями возникает рассеяние волн, которое приводит к дополнительному уменьшению амплитуды прошедшего сигнала (рис. 2.1). Поскольку рассеяние в разных точках листа неодинаково, при сканировании листа наблюдается флуктуация амплитуд прошедших сигналов. Характер изменения амплитуд показан на рис. 2.1. Видно, что при уровне регистрации U01 флуктуация вызывает ложные индикации 5 в бездефектной части листа и пропуски 6 в регистрации действительных дефектов 4, что уменьшает достоверность результатов контроля. Уровень регистрации можно понизить, например, до величины U02, и тогда ложные регистрации исчезнут. Но при этом рассматриваемое расслоение вообще не будет обнаружено. Можно будет выявлять только более грубые несплошности, которые ослабляют сигналы в большей степени. Максимально возможная чувствительность отвечает такому максимальному уровню регистрации, при котором достоверность результатов можно еще считать удовлетворительной.

Амплитуда прошедшего сигнала в процессе сканирования листа является случайной функцией координат. Поэтому значение уровня регистрации, отвечающего максимально возможной чувствительности контроля, определяется с вероятностных позиций методами статистической теории обнаружения. Постановку этой задачи поясняет рис. 2.2, где по оси абсцисс отложена амплитуда сигналов, по оси ординат — плотность вероятности ее распределения. Функция щ (U) отвечает случаю прозвучивания бездефектного листа; щD (U) — прозвучиванию листа с расслоением, обладающим звукопрозрачностью Dp; m и mD.=m Dp — математические ожидания амплитуд сигналов в обоих случаях. Если результаты контроля в соседних точках прозвучивания можно считать некоррелированными, количественно достоверность результатов контроля характеризуется допустимыми значениями вероятностей перебраковки Рп и недобраковки Рн. Анализ случая коррелированных результатов контроля дан в.

Вероятность перебраковки определяет вероятность того, что в процессе контроля бездефектного листа, амплитуда прошедших сигналов хотя бы в одной прозвучиваемой точке окажется ниже уровня регистрации и произойдет ложная регистрация дефекта. В результате этого лист может быть напрасно забракован, т. е. произойдет перебраковка.

Вероятность недобраковки есть вероятность того, что в процессе прозвучивания листа с расслоением, занимающим всю его площадь, хотя бы в одной точке произойдет пропуск регистрации этого расслоения. Конечно, на самом деле встречающиеся в листах несплошности обычно невелики. Но если недопустимое расслоение (дефект) случайно окажется в том месте листа, при прозвучивании которого амплитуда прошедшего сигнала случайно увеличится, этот дефект может оказаться незарегистрированным. В результате произойдет пропуск опасного дефекта — недобраковка.

Для определенного закона плотности вероятности распределения амплитуд прошедших сигналов можно найти величину максимальной звукопрозрачности Dpmax расслоения, которое будет регистрироваться с заданной достоверностью. Для случая гауссовского распределения амплитуд максимальная звукопрозрачность обнаруживаемого расслоения определяется простой формулой [9,10]

(2.1)

где КV — коэффициент вариации амплитуд, который равен отношению среднеквадратичного отклонения амплитуд флюктуирующих сигналов от их математического ожидания к значению математического ожидания амплитуд. Формула справедлива при КV? 0,2; коэффициенты .N1 и N2 находятся как аргументы значений интеграла вероятности Фо, которые определяются соотношениями:

Допустимые значения вероятностей перебраковки и недобраковки выбираются исходя их практических требований к контролю. Величину Рп следует выбрать такой, чтобы практически исключить ошибочную браковку листов. Однако, если учитывать регистрации в отдельно взятых прозвучиваемых точках, число которых очень велико, упомянутое требование можно обеспечить только при весьма низкой чувствительности контроля. Чтобы практически исключить ложную браковку листов при чувствительностях, предусмотренных ГОСТ 22 727–88, необходимо использовать принцип накопления информации. В этом случае принимаются во внимание только совместные регистрации не менее чем в двух соседних точках, результаты прозвучивания в которых не коррелированы. Опыт показывает, что в этом случае для расчета максимально возможной чувствительности контроля можно принять Р = 10−3…10−5 .

Выбором величины Рн обеспечивается необходимая гарантия от пропуска опасных дефектов. При этом учитывается, что по перерыву регистрации в двух соседних прозвучиваемых точках может быть пропущен только относительно небольшой по площади дефект. Вероятность того, что он окажется в месте перерыва регистрации, достаточно мала. Кроме того, необходимо учитывать вероятность того, что в листе вообще будет дефект, которая также незначительна. Поэтому допустимую величину вероятности недобраковки можно выбирать существенно большей, чем вероятность перебраковки. Обычно принимают Рн=10−2, и считается, что при этом обеспечивается практически полная гарантия от пропуска опасных дефектов.

Рассчитанная по выражению (2.1) максимальная звукопрозрачность расслоения, обнаруживаемого с вероятностью недобраковки Рн=10−2, в функции от величины коэффициента вариации амплитуд прошедших сигналов приведена на рис. 2.3. Параметром кривых является вероятность перебраковки Рп. Видно, что чем меньше коэффициент вариации амплитуд, тем более звукопрозрачное расслоение можно обнаружить. Поэтому при проектировании дефектоскопа необходимо принимать меры к снижению коэффициента вариации амплитуд.

Выражение для коэффициента вариации амплитуд прошедших сигналов получается" из расчета акустического тракта дефектоскопа с учетом

рассеяния волн на неровностях поверхности листов, имеющих случайный характер. Если излучающий и приемный датчики, имеют одинаковый радиус a, то коэффициент вариации амплитуд может быть приближенно рассчитан по формуле [10, 11]

где и б — введенные ранее характеристики шероховатости листов; k0 и kl — волновые числа продольных волн в иммерсионной жидкости и материале листа. Формула (2.2) справедлива при. Для случая зеркально-теневого метода контроля и многократно теневого метода [l2] соответствующие зависимости имеют вид:

где N — номер регистрируемого, импульса. Результаты расчета по формулам (2.2) — (2.4) применительно к стальному листу, прозвучиваемому в воде, приведены на рис. 2.4 для теневого метода (сплошные линии), зеркально-теневого (штриховые) и многократно-теневого с N= 2 (штрихпунктирные). Параметром является произведение ба. Видно, что при заданной шероховатости листов, характеризуемой величинами и б, коэффициент вариации амплитуд прошедших сигналов можно уменьшить увеличением радиуса датчиков и применением пониженной частоты ультразвука. Как уже отмечалось, это позволит, повысив уровень регистрации, выявлять более звукопрозрачные расслоения.

Однако, имея в виду достижение максимально возможной реальной чувствительности контроля, для решения задачи необходимо дополнительно учесть частотную зависимость коэффициента звукопрозрачности расслоения, которую будем определять аппроксимационной формулой (1.1). С уменьшением частоты ультразвука звукопрозрачность расслоения увеличивается, и при заданном уровне регистрации будут выявляться более грубые расслоения. Иначе говоря, реальная чувствительность при этом снижается. В результате для каждого значения радиуса датчиков проявляется некоторое оптимальное значение частоты ультразвука, при котором достигается максимально возможная реальная чувствительность контроля. Для примера на рис. 2.5 даны результаты расчета по приведенной методике частотной зависимости стальных листов, контролируемых в воде. Параметрами кривых являются: на рис. 2.5,а-величина /б, .мм2, характеризующая свойства неровной поверхности; на рис. 2.5,6 — радиус преобразователей а, мм; на рис. 2.5,в — вероятность перебраковки Рп, а на рис. 2.5,г — вероятность недобраковки Рн. Наглядно видно преимущество использования преобразователей большого размера: во-первых, при это достигается большая

реальная чувствительность контроля и, во-вторых, при одном и том же значении частоты ультразвука в этом случае обеспечивается почти одинаковая реальная чувствительность контроля листов с разной степенью шероховатости.

Однако увеличению радиуса датчиков препятствует необходимость обеспечения других требований к дефектоскопу, в частности обеспечение малого влияния непланшетности листов.

2.1.2 Влияние шероховатости поверхности листов — при контроле эхо-сквозным методом Контроль эхо-сквозным методом в соответствии с ГОСТ 22 727–88 осуществляют путем регистрации отношения амплитуды эхо-сигнала от дефекта к амплитуде первого прошедшего через лист сигнала в данной точке прозвучивания [13], причем алгоритм принятия решения должен удовлетворять правилу:

— есть дефект; - нет дефекта, где x и y — амплитуды первого прошедшего через — лист сигнала и эхо-сигнала от дефекта; k — дополнительный коэффициент усиления для эхо-импульса; р=exp (-дr) (д — коэффициент затухания ультразвука в материале изделия; r — разность хода эхо-сигнала относительно первого прошедшего, импульса).

Этот алгоритм принятия решения можно записать в более простом виде:

— есть дефект;

— нет дефекта.

Работа по такому алгоритму реализована в установках ДУЭТ [I4] на основе порогового устройства (компаратора), опорное напряжение которого пропорционально амплитуде первого прошедшего импульса.

При прозвучивании листового проката с шероховатыми поверхностями функции x, y, z являются случайными, что может приводить к пропускам дефекта.

Вероятность такого события

.

Значение параметра может быть определено из соотношения (2.5):

по числовым характеристикам амплитуд регистрируемых сигналов. Опуская промежуточные преобразования [15], можно получить, используя равенства (2.6),

где Kv — коэффициент вариации амплитуды прошедшего сигнала, определяемый выражением (2.2);. Коэффициент учитывает отражение звука от шероховатой поверхности, а функции F определяют амплитуды прошедших через лист сигналов и могут быть найдены по АРД диаграмме. В частности, для толстых листов, где — отношение скоростей звука в жидкости и металле.

Дополнительный коэффициент усиления K используется в аппаратуре ДУЭТ для регулировки (настройки) чувствительности контроля [l4]. Максимальное его значение при контроле стальных листов не превышает 30 дБ.

Подставляя в выражение (2.7) коэффициент отражения из соотношения (1.1), можно получить зависимость минимальной величины раскрытия обнаруживаемого расслоения от частоты f (рис. 2.6). Параметром кривых на рис. 2.6,а является величина /б, мм2; на рис, 2.6,6- размер преобразователя а, мм; на рис. 2.6,в — вероятность недобраковки РН. Видно, что с ухудшением качества поверхности и увеличением толщины листа реализуемая чувствительность контроля снижается, а оптимальная рабочая частота смещается в область низких частот. С увеличением размера преобразователей повышается чувствительность контроля, а оптимум сдвигается в область более высоких частот.

2.1.3 Влияние шероховатости поверхности листов при контроле эхо-методом Наибольшая чувствительность может быть реализована при контроле эхо-методом листов с мелкозернистой структурой. При прозвучивании изделий с гладкими поверхностями (рис. 2.7) амплитуда донного сигнала при отсутствии неоднородностей в металле не меняется по трассе сканирования и равна UПЛ (1 — на рис. 2.7). Шероховатость граней листов приведет к флуктуации амплитуд сигналов, отраженных от дна изделия (U) и от дефекта (UД) (2 — на рис. 2.7).

Признаком наличия дефекта при контроле эхо-методом является превышение амплитуды сигнала заданного порогового уровня в заданном промежутке времени. Обычно при иммерсионном контроле этот промежуток устанавливается между сигналами, отраженными от передней грани и дна изделия. В соответствии с ГОСТ 22 727–88 в зависимости от требуемой чувствительности контроля пороговый уровень U0 выбирается в пропорции от среднего значения m (U) амплитуды донного сигнала на бездефектном участке листа. При этом, еcли амплитуда эхо-сигнала Uд, от дефекта окажется ниже этого порога, произойдет надобраковка 3 (пропуск дефекта), вероятность которой

где щD (U) — плотность вероятности амплитуд сигналов, отраженных от полупрозрачной прослойки раскрытием dp, моделирующей расслоение листового проката, а

(2.8)

Подставляя в выражение (2.8) числовые значения амплитуд регистрируемых сигналов [16], получаем

(2.9)

где (U/Uд)пл — отношение амплитуд эхо-сигналов от дна изделия и непрозрачного дефекта в случае гладких граней листа. При этом анализ выражения (2.9) показывает, что при контроле листов с гладкими поверхностями (Rд)min=м.

Значение максимально реализуемой чувствительности контроля с учетом выражений (2.9) и (1.1) можно получить в виде

(2.10)

где cp — скорость ультразвука в материале, заполняющем прослойку.

На рис. 2.8 представлены результаты расчета частотной зависимости минимального раскрытия расслоения, обнаруживаемого при контроле эхо-методом при заданных параметрах акустического тракта. С ростом значения параметра /б, мм2, чувствительность ухудшается, а минимум смещается в область более низких частот (рис. 2.8,а). Повысить чувствительность контроля при заданных параметрах неровной поверхности можно (рис. 2.8,б) путём увеличения размера пьезопреобразователя а, мм, и рабочей частоты, а также допуская большие значения условной вероятности недобраковки РН (рис. 2.8,в).

При контроле листов из материала с крупнозернистой структурой (аустенитные стали, сплавы на основе меди, титановые сплавы и др.) основным фактором, ограничивающим чувствительность контроля, являются реверберационные помехи, вызванные рассеянием ультразвука на зернах материала. Наличие шероховатостей при этом приводит к дополнительному ослаблению и рассеянию звука и снижению чувствительности контроля. Выбор оптимальных параметров контроля таких листов должен осуществляться исходя из статистических характеристик регистрируемых эхо-сигналов.

Обозначим через Up мгновенное значение реверберационных шумов на входе дефектоскопа при отсутствии шероховатостей на гранях листа. Известно, что закон их распределения — гауссовский, с математическим ожиданием, равным нулю, а среднеквадратичным значением. Влияние шероховатостей поверхности ввода ультразвука на реверберационные шумы учтем случайным множителем y с числовыми характеристиками;. Тогда мгновенное значение реверберационной помехи при контроле изделий с шероховатой поверхностью можно записать в виде .

Поскольку рассеяние ультразвука на зернах материала и неровностях поверхности изделия описываются разными механизмам, то функции Up и y можно считать независимыми и

(2.11)

В первом приближении будем считать, что шероховатость поверхности слабо влияет на закон распределения мгновенных значений реверберационной помехи. Тогда огибающая сигнала Z1, проявляющаяся в тракте низкой частоты распределена по закону Релея (рис. 2.9). При превышении значения огибающей порога срабатывания U0 регистрирующей системы происходит перебраковка, вероятность которой

.

Это позволяет по заданному значению перебраковки Рп и известному значению определить требуемое значение порогового уровня:

. (2.12)

При наличии в прокате дефекта эхо-сигнал от него представляет собой аддитивную смесь реверберационных шумов z1 и отраженного сигнала с учетом влияния шероховатостей z2=z1+UC. Учитывая независимость складываемых сигналов, получаем

(2.13)

Распределение огибающей суммы эхо-сигнала с постоянной амплитудой и реверберационных шумов подчиняется обобщенному закону Релея. рассеяние звука на шероховатостях поверхности листов приводит к флуктуации амплитуды эхо-сигнала от дефектов, что не меняет заметно вид закона распределения. При условии обобщенный закон Релея хорошо аппроксимируется гауссовским. Тогда значение условной вероятности недобраковки (рис. 2.9)

где, а

. (2.14)

Подставляя в выражение (2.14) значения (2.11)-(2.13), после преобразований получаем

. (2.15)

Сравнивая выражения (2.15) и (1.1), можно определить реализуемую в данных условиях чувствительность контроля. Для проведения расчетов по выражению (2.15) необходимо знать нормированное к амплитуде донного сигнала среднеквадратичное значение реверберационных шумов Up на входе приемного тракта. В [I7] приведена методика экспериментального исследования и результаты измерений на образце толщиной 150 мм из хромистой бронзы (рис. 2.10).

Результаты расчетов по (2.10) максимально реализуемой чувствительности контроля листов из медных сплавов представлены на рис. 2.11. Параметром кривых на рис. 2.11,а является среднеквадратичная высота (/б,), мм2, шероховатостей поверхностей. Нижняя кривая, соответствующая гладкой поверхности, дает максимальную чувствительность при заданном уровне реверберационных помех; минимум на кривых определяет оптимальную рабочую частоту. Параметром кривых на рис. 2.11,б является размер преобразователя а, мм. Видно, что увеличение диаметра не приводит к существенному увеличению чувствительности контроля. На рис. 2.11,в, г даны результаты расчетов чувствительности контроля при различных значениях условных вероятностей недобраковки РН и перебраковки РП, определяющих надежность контроля. Видно, что при заданном значении реверберационных шумов оптимальная рабочая частота практически не изменяется.

2.1.4 Влияние непланшетности листового проката при ультразвуковом контроле Характерным недостатком горячекатаного листового проката является непланшетность (коробоватость и волнистость), т. е. отличие геометрии его поверхностей от плоской. В ГОСТах на различные марки сталей непланшетность задается в виде определенной величины прогиба (в миллиметрах) на один погонный метр листа. Для листов обычного качества эта величина не превышает 12 мм/м. В процессе прозвучивания такого криволинейного листа ультразвуковой пучок, преломляясь на его поверхностях, отклоняется в сторону, что приводит к уменьшению регистрируемых сигналов. В [l8] показано, что величина прогиба листа толщиной Н может быть связана с углом перекоса в относительно оси акустического тракта (рис. 2.12,а).

Для определения амплитуды электрического напряжения UП, снимаемого с приемного преобразователя при контроле листового проката методом «многократной тени», можно представить потенциал колебательной скорости частиц среды в звуковом пучке, создаваемом излучателем в иммерсионной жидкости в виде разложения по плоским волнам [19]; перейти к координатам, связанным с поверхностью листа, и переменным, характеризующим направления распространения этих волн по отношению к осям z и x; ввести коэффициенты прозрачности и отражения границ раздела по потенциалам и набег их фазы в твердом теле и жидкости. Затем перейти к координатной системе, связанной с плоскостью пьезоприемника, и усреднить по его площади нормальную компоненту колебательной скорости [20]:

(2.16)

где UГ — амплитуда электрического напряжения, подаваемого на пьезопреобразователь в режиме излучения; LU — коэффициент двойного электромеханического преобразования; SИ=ра2 — площадь излучателя; а и b — радиусы преобразователей;;; и — коэффициенты прозрачности и отражения границы раздела по энергии и по амплитуде потенциала соответственно; N характеризует номер регистрируемого сигнала: N=1 соответствует первому прошедшему импульсу, регистрируемому при контроле теневым методом; N=2 описывает амплитуду донного сигнала, регистрируемого при контроле зеркально-теневым и эхо-методами контроля; N=3 соответствует амплитуде второго прошедшего через изделие сигнала.

Для оценки ослабления амплитуд регистрируемых сигналов, вызванных перекосом листа в акустическом тракте, можно воспользоваться упрощенной по сравнению с выражением (2.16) формулой [18]:

(2.17)

где характеристика направленности круглого преобразователя; г — угол перекоса акустического тракта, который для первого прошедшего сигнала изображен на рис. 2.12,б. Углы перекоса в (2.17) для теневого, зеркально-теневого и многократно-теневого методов с регистрацией второго прошедшего импульса можно определить по приближенным формулам:

;; , (2.18)

где;; ;

обобщенные расстояния в акустическом тракте, приведенные к однородной среде (жидкости).

Если аппроксимировать кривую прогиба листа отрезком окружности, то значению стрелы прогиба 12 мм отвечает максимальное значение угла наклона вmax=3°. На рис. 2.13 для этого значения угла наклона приведено ослабление амплитуд прошедшего сигнала (кривые 1) и донного сигнала (кривые 2) в зависимости от волновых размеров преобразователей. Сплошные кривые соответствуют параметру; пунктирные — г=0.8.

Ослабление амплитуд регистрируемых сигналов при теневых методах контроля при неизменном пороге регистрации U0 приводит к перебраковке листового проката. Чтобы исключить ложное забракование, можно снизить исходное значение порога регистрации. Однако при этом увеличится вероятность недобраковки плоских участков листа и в результате реальная чувствительность контроля по площади проката может оказаться существенно неравномерной, что практически неприемлемо.

Параметры акустического тракта необходимо выбирать такими, чтобы изменения амплитуды регистрируемых сигналов при контроле непланшетного листа не превышали некоторого допустимого значения, например 1…2 дБ. Как видно из рис. 2.13, это налагает ограничение сверху на волновой размер используемых преобразователей. Уменьшению размера датчиков, как было показано ранее, препятствует увеличение флуктуации амплитуд регистрируемых сигналов и снижение реализуемой чувствительности контроля.

Контроль эхо-сквозным методом осуществляется (см. 2.1.2) путем регистрации отношения амплитуды эхо-сигнала от дефекта к амплитуде первого прошедшего через лист сигнала. При наличии непланшетности оба сигнала уменьшаются из-за отклонения ультразвукового пучка от оси акустического тракта, причем в наибольшей степени уменьшается амплитуда эхо-сигнала от протяженного дефекта, расположенного вблизи передней грани изделия. Поэтому влияние непланшетности при контроле эхо-сквозным методам можно оценивать величиной отношения

(2.19)

где г1 и г3 даются выражениями (2.18).

Результаты расчета по соотношению (2.19) представлены на рис. 2.14 в зависимости от тех же параметров, что и на рис. 2.13. Видно, что с увеличением волнового размера преобразователей величина отношения сигналов падает, что приводит к недобраковке листов. Поэтому рекомендуем параметры акустического тракта выбирать таким образом, чтобы для всего диапазона толщин контролируемых эхо-сквозным методом листов это отношение менялось незначительно (в пределах 1…2 дБ).

При контроле изделий эхо-методом с жестким порогом регистрации, устанавливаемым пропорционально амплитуде донного сигнала на бездефектном участке изделия, непланшетность проката приводит к уменьшению эхо-сигналов от дефекта, а значит, и к

увеличению вероятности недобраковки. Наихудший случай соответствует протяженному дефекту, расположенному на максимальной глубине. Относительное изменение амплитуды эхо-сигнала от такого дефекта соответствует кривым 2 на рис. 2.13.

2.2 Минимальная толщина контролируемых листов Минимальная толщина листов, которые могут подвергаться контролю — важная техническая характеристика листового дефектоскопа. В номенклатуре толстолистового проката листы толщиной 8…20 мм по объему выпуска обычно занимают главное место. Поэтому возможность их контроля значительно увеличивает количество дефектоскопируемого проката и, соответственно, повышает технико-экономическую эффективность эксплуатации дефектоскопа.

Возможность контроля тонких листов методами прохождения и отражения при помощи объемных волн ограничивается длительностью применяемых ультразвуковых импульсов.

2.2.1 Характеристики ультразвуковых импульсов В режиме излучения преобразователь дефектоскопов обычно возбуждается однополярным электрическим импульсом, длительность которого выбирается равной полупериоду свободных колебаний пьезопластины. Формирование излучаемого при этом акустического импульса иллюстрирует рис. 2.15. Под действием возбуждающего импульса (рис. 2.15,а) грани пьезопластины излучают соответствующие полуволны во вне и внутрь пластины (рис. 2.15,б). Полуволна, излученная в акустическую нагрузку гранью II (рабочей гранью), формирует начальный полупериод акустического импульса (рис. 2.15,в). Полуволны и -, излученные гранями внутрь пластины, претерпевают в ней многократные отражения между гранями (рис. 2.15,г, д). Каждый раз при взаимодействии с рабочей гранью они частично проходят в акустический тракт и создают добавки: — от грани I и — от грани II. В результате возникает акустический импульс .

При упомянутом способе возбуждения преобразователя в излученном импульсе амплитуда колебаний достигает максимума всегда в течение первого периода колебаний. Затем она плавно спадает по экспоненте в соответствии с затуханием свободных колебаний пьезопластины. Таким образом, длительность импульса фактически определяют свободные колебания, которые затухают, главным образом, вследствие излучения в акустическую нагрузку и в демпфер. Нагрузка пьезопластины со стороны ее рабочей грани жестко определена: это — иммерсионная жидкость с заданными акустическими свойствами. Регулировать скорость спадания свободных колебаний можно при помощи демпфера выбором значения его удельного акустического импеданса. Значение, достаточно близкое к импедансу пьезопластины, обеспечивает повышенную звукопрозрачность тыльной грани пьезопластины и, тем самым, быстрый спад амплитуды свободных колебаний за счет эффективного отсоса энергии в демпфер.

Для характеристики длительности излучаемых импульсов часто используют понятие акустической добротности преобразователя

где; -коэффициенты отражения от граней I и II пьезопластины (zД, zП и zВудельные акустические импедансы для демпфера, пьезопластины и иммерсионной жидкости — воды).Это понятие удобно тем, что численное значение добротности равно числу периодов, в. течение которых амплитуда свободных колебаний в импульсе убывает в eр раз (до уровня 0,043). Поэтому, зная добротность преобразователя, можно сразу представить себе характер акустического сигнала, который он излучит при возбуждении одиночным электрическим импульсом. Для иллюстрации огибающие ультразвуковых импульсов, излучаемых в воду преобразователем при разной акустической добротности (параметр кривых), приведены на рис. 2.16.