Устройство для обнаружения микродефектов в листовом материале

Авторы патента:

Полезная модель относится к области дефектоскопии листовых материалов и позволяет осуществить автоматизированный контроль качества, например, листового стекла или листового проката в промышленных условиях. Использование просвечивающих способов - лазерного излучения в прозрачных материалах или рентгеновского излучения в непрозрачных, главным образом, в металлических листовых материалах, не позволяет обнаруживать микро- и нанотрещины, которые в условиях эксплуатации могут расти и приводить к разрушению конструкций из этих материалов.

Технической задачей предлагаемого решения является достижение технической возможности обнаружения микродефектов, включая микро- и нанотрещины, в листовых материалах больших размеров и автоматизация контроля в производственных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для обнаружения микродефектов в листовом материале, содержащем генератор радиоимпульсов, излучающие ультразвуковые преобразователи, приемные ультразвуковые преобразователи, блок управления и обработки сигналов, компьютер, согласно решению, излучающие ультразвуковые преобразователи выполнены в виде клиновидных преобразователей волны Лэмба, причем излучающие преобразователи имеют апертуру не менее 3 и расположены на поверхности листового материала в линию, перпендикулярную линии расположения приемных преобразователей, имеющих апертуру не более 2, где - длина волны Лэмба.

Известно устройство обнаружения дефектов в листовом стекле, реализующее способ ультразвукового контроля структуры листового стекла, заключающийся в том, что в контролируемое листовое стекло ультразвуковьм преобразователем излучают ультразвуковые импульсы, отличающийся тем, что ультразвуковые импульсы имеют частоту 7 МГц и более, которые, распространяясь по толщине стекла, отражаются от структурообразующих стекловидных образований и принимаются этим же ультразвуковым преобразователем, после чего отраженные ультразвуковые импульсы регистрируют на бумажном или электронном носителе в виде светлых и темных участков, интенсивность которых соответствует плотности структурообразующих стекловидных образований в стекле (см. патент РФ 2266533, МПК G01N 29/06).

Это устройство достоверно определяет распределение по толщине листа дефектов типа стекловидных образований иной плотности, однако он не позволяет обнаруживать микротрещины, подавляющее большинство которых имеет поверхность, перпендикулярную к поверхности листа. Кроме того, ультразвуковой преобразователь не может покрывать большую площадь листа вследствие квадратичного возрастания его стоимости, поэтому контроль листового стекла таким способом сопряжен еще и с большими затратами рабочего времени.

Наиболее близким устройством того же назначения, что и заявленное изобретение, по совокупности признаков является устройство, реализующее нелинейный акустический способ обнаружения трещин и их местоположений в конструкции, содержащей генератор радиоимпульсов (ультразвуковой эхолокатор), блоки управления и коммутации, излучающие и приемные ультразвуковые преобразователи, расположенные на акустической призме специальной формы. В этом устройстве в конструкцию периодически излучают ультразвуковую волну, последовательно меняя ее угол ввода _i от минимально необходимого до максимального, формируя, тем самым, диапазон исследуемых дальностей. Для каждого значения угла ввода _i определяют текущее распределение значений амплитуды модуляции ультразвуковой волны от дальности, по крайней мере, для двух частот низкочастотной вибрации, которую возбуждают в конструкции с помощью генератора НЧ и вибратора (см. патент РФ 2274859, МПК G01N 29/04).

Из полученных распределений выбирают и регистрируют для каждой дальности только максимальные значения амплитуд модуляции ультразвуковых волн. По ним судят о наличии и величине трещин. О местоположении трещин судят по временной задержке распространения ультразвуковой волны. В устройстве установлены блок управления и электронный узел изменения угла ввода ультразвуковой волны, выполненный в виде акустической призмы с установленной на ее поверхности матрицей из n ультразвуковых преобразователей и соединенного с ними блока коммутации. Блок коммутации выполнен с возможностью одновременной поэлементной коммутации m (m<n) ультразвуковых преобразователей и соединен с блоком управления и ультразвуковым эхолокатором. Эхолокатор подключен к блоку обработки информации, с которым соединен также и блок управления. Блок возбуждения низкочастотных колебаний содержит последовательно соединенные генератор низкой частоты и вибратор.

В данном устройстве используется возбуждение пучков плоских ультразвуковых волн, входящих под разными углами в исследуемый объект, а информация о дефекте передается рассеянной на нем ультразвуковой волной. Для реализации такого способа определения направления на дефект и расстояния до него необходимо, чтобы ультразвуковой пучок не расходился, а это физически возможно только на расстоянии до дефекта от преобразователя не далее ближней зоны Френеля, где волну можно считать плоской. Граница ближней зоны Френеля R_Ф определяется простой формулой [3, с.10]:

где D_И - апертура ультразвукового преобразователя, - длина ультразвуковой волны. Исходя из описания устройства, при наличии в матрице всего n=10 преобразователей и размере акустической призмы порядка толщины листового материала d, граница ближней зоны Френеля располагается на расстоянии

что, например, для листа стекла толщиной 4 мм и длине волны на частоте 10 МГц =0.55 мм дает значение 0.2 мм. Такая рабочая область не имеет практического значения и устройство, описанное в прототипе, не может быть применено в стекольной промышленности. Для металлических материалов, например, для дефектоскопии труб применение этого устройства возможно только для толщины стенки не менее 30 мм и частоте ультразвука не менее 20 МГц, что определяет весьма ограниченное применение этого устройства. К тому же для получения высокой точности определения местоположения дефекта требуется большое число n преобразователей в матрице, расположенной на акустической призме. Так, для точности определения координаты трещины =1 мм на расстоянии от призмы R=1 м должно быть n=1000.

Однако изготовление такой призмы требует сложной и дорогостоящей технологии. Вследствие малой величины рабочей области и значительного ослабления измерительного сигнала при контроле листового материала больших размеров потребуется, как и в аналоге, перемещение измерительных элементов по всей площади листа, что значительно увеличивает время на проведение контроля.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на фиг.1. - устройство для обнаружения микродефектов в листовом материале; на фиг.2 - клиновидный преобразователь волны Лэмба; фиг.3 - входной электрический сигнал, подаваемый с генератора радиоимпульсов (нижний график) и выходной электрический сигнал (верхний график), поступающий в блок обработки сигналов; фиг.4 - график характеристического уравнения волн Лэмба (см. М.А.Исакович. Общая акустика. М.: - Изд-во «Наука», 1973.) для листового стекла на частоте 1 МГц.

1. излучатель ультразвука УЗ (излучающий ультразвуковой преобразователь);

2. приемник УЗ (приемный ультразвуковой преобразователь);

3. рама;

4. генератор радиоимпульсов;

5. блок управления и обработки;

6. компьютер;

7. микродефект;

8. лист материала;

9. пьезопреобразователь;

10. клин.

Устройство для обнаружения микродефектов состоит из жесткой рамы 3, на которой по всей поверхности вдоль оси абсцисс расположены приемники ультразвука (приемные преобразователи) 2, а вдоль оси ординат излучатели ультразвука (УЗ) 1, при этом жесткая рама наложена (размещена) на лист материала 8. Излучатели УЗ 1 соединены с генератором радиоимпульсов 4, который в свою очередь соединен с блоком управления и обработки 5. Приемники УЗ 2 соединены с блоком управления и обработки 5, который соединен с компьютером 6. Генератор радиоимпульсов 4, блок управления и обработки 5, и компьютер 6 размещены вдоль оси абсцисс.

Устройство работает следующим образом. Блок управления и обработки 5 включает генератор радиоимпульсов 4, вырабатывающий прямоугольные импульсы с радиочастотным заполнением с частотой, близкой к резонансной частоте пьезоэлектрических преобразователей излучателей ультразвука 1. Временной интервал между этими импульсами должен быть больше времени прохождения двойной длины листа материала 8, которая обычно не превышает 3 м, что определяет наибольший интервал повторений импульсов величиной около 1 мс.

Радиоимпульсы поочередно подаются на излучатели УЗ 1 (фиг.1) в виде клиновидных преобразователей волны Лэмба (фиг.2), апертура которых должна обеспечивать слаборасходящийся пучок ультразвуковых волн на расстоянии до 3 м.

Клиновидный преобразователь волны Лэмба содержит пьезопреобразователь 9 и клин 10, расположенные на листе закаленного стекла (материала) 8.

Угол расхождения ультразвукового пучка приближенно определяется соотношением (см. А.И.Морозов, В.В.Проклов, Б.А.Станковский. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.: - Радио и связь, 1981.), поэтому апертура D_И=3, при которой =20°, является минимально допустимой на практике величиной. Входной электрический сигнал в виде радиоимпульса (фиг.3, нижний график) преобразуется пьезоэлектрическим преобразователем 9 в виде пьезокерамической пластинки (фиг.2) в импульс продольной ультразвуковой волны.

При преломлении волны из клина 10, (фиг.2) в листовой материал 8 при угле клина около 40° возникает импульс ультразвуковой волны Лэмба, низшая мода которого, наиболее удобная практически, распространяется со скоростью около 3800 м/с (фиг.4), в листе стекла толщиной 10 мм в виде ограниченного по ширине пучка УЗ.

Если на пути распространяющегося в листе импульса волны Лэмба встречается микродефект 7 в виде инородного включения или трещины, имеющей ширину от 1 нм и более, то происходит рассеяние волны Лэмба в такие же волны, но распространяющиеся в разные стороны. Приемные преобразователи ультразвука 2, расположенные вне зоны ультразвуковых пучков, принимают рассеянные сигналы в виде треугольных радиоимпульсов (фиг.3 верхний график). Для того чтобы приемные преобразователи принимали сигналы в виде рассеянных волн Лэмба в большом секторе углов, апертура преобразователей должна быть малой и, как показывают экспериментальные исследования, не должна превышать 2. В блоке управления и обработки 5 измеряются времена прихода этих импульсов на приемные преобразователи и передаются в компьютер 6, который по длительности распространения волны от излучающего преобразователя 1 до приемных преобразователей 2 вычисляет координаты рассеивающих микродефектов 7 и на мониторе формирует их изображение.

Устройство для обнаружения микродефектов в листовом материале, содержащее генератор радиоимпульсов с подключенными к нему излучающими ультразвуковыми преобразователями, блок управления и обработки сигналов с подключенными к нему приемными ультразвуковыми преобразователями и компьютером, отличающееся тем, что излучающие ультразвуковые преобразователи выполнены в виде клиновидных преобразователей волны Лэмба, причем излучающие преобразователи имеют апертуру не менее 3 и расположены на поверхности листового материала в линию, перпендикулярную линии расположения приемных преобразователей, имеющих апертуру не более 2, где - длина волны Лэмба.