Ультразвуковой контроль

Ультразвуковой контроль ( УЗК ) — это семейство методов неразрушающего контроля, основанных на распространении ультразвуковых волн в испытываемом объекте или материале. В большинстве распространенных применений УЗ-технологий очень короткие ультразвуковые импульсные волны с центральными частотами в диапазоне 0,1–15 МГц, а иногда и до 50 МГц, передаются в материалы для обнаружения внутренних дефектов или определения характеристик материалов. Типичным примером является ультразвуковое измерение толщины , которое проверяет толщину объекта контроля, например, для контроля коррозии и эрозии трубопроводов. Ультразвуковой контроль широко используется для обнаружения дефектов сварных швов.

Ультразвуковой контроль часто проводится для стали и других металлов и сплавов, хотя его также можно использовать для бетона , дерева и композитов, хотя и с меньшим разрешением. Он используется во многих отраслях промышленности, включая стальное и алюминиевое строительство, металлургию, обрабатывающую промышленность, аэрокосмическую , автомобильную и другие транспортные отрасли.

История

Первые попытки использовать ультразвуковой контроль для обнаружения дефектов твердых материалов были предприняты в 1930-х годах. ^{[ 1 ]} 27 мая 1940 года американский исследователь доктор Флойд Файерстоун из Мичиганского университета подает заявку на патент США на изобретение первого практического метода ультразвукового контроля. Патент выдан 21 апреля 1942 года как патент США № 2280226 под названием «Дефектоскопическое устройство и измерительный прибор». Выдержки из первых двух параграфов патента на этот совершенно новый метод неразрушающего контроля лаконично описывают основы такого ультразвукового контроля. «Мое изобретение относится к устройству для обнаружения наличия неоднородностей плотности или упругости в материалах. Например, если в отливке есть отверстие или трещина, мое устройство позволяет обнаружить наличие дефекта и определить его положение. , хотя дефект целиком лежит внутри отливки и никакая его часть не выходит на поверхность... Общий принцип моего прибора состоит в посылке высокочастотных колебаний в контролируемую деталь и определении временных интервалов. прибытие прямых и отраженные вибрации на одной или нескольких станциях на поверхности детали».

Джеймс Ф. Макналти (радиоинженер из США) из компании Automation Industries, Inc., находившийся тогда в Эль-Сегундо, Калифорния, один из первых устранителей многих недостатков и ограничений этого и других методов неразрушающего контроля, более подробно рассказывает об ультразвуковом контроле в своей Патент США № 3,260,105 (заявка подана 21 декабря 1962 г., выдана 12 июля 1966 г., под названием «Ультразвуковой Устройство и метод испытаний»), что «В основном ультразвуковой контроль проводится путем подачи на пьезоэлектрический преобразователь периодических электрических импульсов ультразвуковой частоты. Кристалл вибрирует на ультразвуковой частоте и механически связан с поверхностью испытуемого образца. Это соединение может быть осуществлено путем погружения преобразователя и образца в массу жидкости или путем фактического контакта через тонкую пленку жидкости, например масла. Ультразвуковые колебания проходят через образец и отражаются от любых возможных неоднородностей. Отраженные эхо-импульсы принимаются тем же или другим преобразователем и преобразуются в электрические сигналы, указывающие на наличие дефекта». Чтобы охарактеризовать микроструктурные особенности на ранних стадиях усталостного повреждения или разрушения при ползучести, следует использовать более совершенные нелинейные ультразвуковые испытания. Эти нелинейные методы основаны на том, что интенсивная ультразвуковая волна искажается при столкновении с микроповреждениями материала. ^{[ 2 ]} Интенсивность искажений коррелирует с уровнем повреждений. Эту интенсивность можно определить количественно с помощью параметра акустической нелинейности (β). β связано с амплитудами первой и второй гармоник. Эти амплитуды можно измерить путем гармонического разложения ультразвукового сигнала посредством быстрого преобразования Фурье или вейвлет-преобразования. ^{[ 3 ]}

Как это работает

ультразвуковой преобразователь При ультразвуковом контроле над проверяемым объектом проводят , подключенный к диагностическому аппарату. Преобразователь обычно отделен от объекта контроля контактной жидкостью. ^{[ 4 ]} например, гель, масло или вода, ^{[ 1 ]} как при иммерсионном тестировании. Однако, когда ультразвуковой контроль проводится с помощью электромагнитного акустического преобразователя (ЭМАП), использование контактной жидкости не требуется.

Существует два метода получения ультразвукового сигнала: отражение и затухание . В режиме отражения (или импульсного эха) преобразователь выполняет как отправку, так и прием импульсных волн, поскольку «звук» отражается обратно на устройство. Отраженный ультразвук исходит от границы раздела, например от задней стенки объекта, или от дефекта внутри объекта. Диагностический аппарат отображает эти результаты в виде сигнала, амплитуда которого представляет интенсивность отражения, а расстояние — время прихода отражения. В режиме ослабления (или сквозной передачи) передатчик посылает ультразвук через одну поверхность, а отдельный приемник обнаруживает количество, достигшее его на другой поверхности после прохождения через среду. Несовершенства или другие условия в пространстве между передатчиком и приемником уменьшают количество передаваемого звука, тем самым выявляя их присутствие. Использование контактной жидкости повышает эффективность процесса. за счет уменьшения потерь энергии ультразвуковой волны из-за разделения поверхностей.

Примеры ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Одним из примеров использования ультразвука для проверки свойств материала является измерение размера зерна конкретного материала. В отличие от деструктивного измерения, ультразвук предлагает методы измерения размера зерна неразрушающим способом с еще более высокой эффективностью обнаружения. Измерение размера зерна с помощью ультразвука может быть выполнено путем оценки скорости ультразвука, затухания и характеристик обратного рассеяния. Теоретическая основа модели затухания рассеяния была разработана Станке, Кино и Уивером.

При постоянной частоте коэффициент ослабления рассеяния зависит главным образом от размера зерна; Цзэн и др. выяснили, что в чистом ниобии затухание линейно коррелирует с размером зерна за счет рассеяния на границах зерен. ^{[ 6 ]} Эту концепцию ультразвукового контроля можно использовать для обратного определения размера зерна во временной области, когда коэффициент затухания рассеяния измеряется на основе данных испытаний, обеспечивая неразрушающий способ прогнозирования свойств материала с помощью довольно простых инструментов.

Функции

Преимущества

Высокая проникающая способность позволяет обнаруживать дефекты глубоко в детали. ^{[ 1 ]}
Высокая чувствительность, позволяющая обнаруживать очень мелкие дефекты. ^{[ 1 ]}
Большая точность, чем у других неразрушающих методов, при определении глубины внутренних дефектов и толщины деталей с параллельными поверхностями.
Некоторая возможность оценки размера, ориентации, формы и характера дефектов.
Некоторые возможности оценки структуры сплавов компонентов с различными акустическими свойствами.
Неопасен для операций или для находящегося рядом персонала и не оказывает воздействия на оборудование и материалы, находящиеся поблизости.
Возможность портативного, высокоавтоматизированного или дистанционного управления.
Результаты мгновенные, что позволяет принимать решения на месте. ^{[ 1 ]}
Ему необходим доступ только к одной поверхности проверяемого продукта. ^{[ 1 ]}

Недостатки

Ручное управление требует тщательного внимания со стороны опытных специалистов. Преобразователи предупреждают как о нормальной структуре некоторых материалов, так и о допустимых аномалиях других образцов (оба называются «шумом»), а также о дефектах, достаточно серьезных, чтобы поставить под угрозу целостность образца. Эти сигналы должен распознавать квалифицированный техник, что, возможно, потребует применения других методов неразрушающего контроля. ^{[ 8 ]}
Для разработки процедур проверки необходимы обширные технические знания. ^{[ 1 ]}
Неровная поверхность, неправильная геометрия, мелкие детали, небольшая толщина или неоднородный состав материала могут затруднить тестирование.
Поверхность необходимо подготовить, очистив и удалив отслоившуюся окалину, краску и т. д., хотя краску, которая правильно приклеилась к поверхности, возможно, не потребуется удалять.
Контактные жидкости необходимы для эффективной передачи энергии ультразвуковых волн между преобразователями и контролируемыми деталями. ^{[ 1 ]} если не используется бесконтактный метод. Бесконтактные методы включают лазерные и электромагнитно-акустические преобразователи ( ЭМАП ).
Оборудование может быть дорогим. ^{[ 1 ]}
Требуются эталонные стандарты и калибровка. ^{[ 1 ]}

Стандарты

Международная организация по стандартизации (ISO)

ISO 2400: Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Спецификация для калибровочного образца № 1 (2012 г.)
ISO 7963: Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Спецификация для калибровочного образца № 2 (2006 г.)
ISO 10863: Неразрушающий контроль сварных швов. Ультразвуковой контроль. Использование метода дифракции времени пролета (TOFD) (2011).
ISO 11666: Неразрушающий контроль сварных швов. Ультразвуковой контроль. Уровни приемки (2010 г.)
ISO 16809: Неразрушающий контроль. Ультразвуковое измерение толщины (2012 г.)
ISO 16831: Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Характеристика и проверка ультразвукового оборудования для измерения толщины (2012 г.)
ISO 17640: Неразрушающий контроль сварных швов. Ультразвуковой контроль. Методы, уровни испытаний и оценка (2010).
ISO 22825, Неразрушающий контроль сварных швов. Ультразвуковой контроль. Контроль сварных швов аустенитных сталей и сплавов на основе никеля (2012 г.)
ISO 5577: Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Словарь (2000).

Европейский комитет по стандартизации (CEN)

EN 583, Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль.
EN 1330-4, Неразрушающий контроль. Терминология. Часть 4. Термины, используемые при ультразвуковом контроле.
EN 12668-1, Неразрушающий контроль. Характеристика и проверка оборудования для ультразвукового контроля. Часть 1. Инструменты.
EN 12668-2, Неразрушающий контроль. Характеристика и проверка оборудования для ультразвукового контроля. Часть 2: Датчики.
EN 12668-3, Неразрушающий контроль. Характеристика и проверка оборудования для ультразвукового контроля. Часть 3. Комбинированное оборудование.
EN 12680, Основа – Ультразвуковой контроль
EN 14127, Неразрушающий контроль. Ультразвуковое измерение толщины.

(Примечание: часть стандартов CEN в Германии принята как DIN EN, в Чехии как CSN EN.)

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Неразрушающий контроль дефектов в металлических компонентах Журнал «Качество», август 2015 г., страницы 31–32, Дэн ДеВрис
^ Мэтлак, К.Х.; Ким, Ж.-Ю.; Джейкобс, LJ; Цюй, Дж. (01 марта 2015 г.). «Обзор методов измерения генерации второй гармоники для определения состояния материала в металлах» (PDF) . Журнал неразрушающего контроля . 34 (1): 273. doi : 10.1007/s10921-014-0273-5 . hdl : 20.500.11850/103909 . ISSN 0195-9298 . S2CID 39932362 .
^ Мостави, Амир; Камали, Негар; Тегерани, Нилуфар; Чи, Шэн-Вэй; Озевин, Дидем; Индакочеа, Дж. Эрнесто (2017). «Вейвлет-гармоническое разложение ультразвукового сигнала при оценке пластической деформации алюминия» . Измерение . 106 : 66–78. Бибкод : 2017Измер..106...66M . doi : 10.1016/j.measurement.2017.04.013 .
^ https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/EquipmentTrans/Couplant.htm Couplant Университет штата Айова - Центр неразрушающего контроля получено 1 августа 2021 г.
^ Лю, Ю; Тянь, Цян; Гуань, Сюэфэй (сентябрь 2021 г.). «Оценка размера зерна с использованием затухания ультразвука с фазированной решеткой» . НДТ и Е Интернешнл . 122 : 102479. doi : 10.1016/j.ndteint.2021.102479 . ISSN 0963-8695 .
^ Jump up to: ^а ^б Цзэн, Фэй; Агнью, Шон Р.; Реисиния, Бабак; Минени, Ганапати Р. (31 марта 2010 г.). «Затухание ультразвука из-за рассеяния на границах зерен в чистом ниобии» . Журнал неразрушающего контроля . 29 (2): 93–103. дои : 10.1007/s10921-010-0068-2 . ISSN 0195-9298 .
^ Станке, Фред Э.; Кино, Г.С. (1 марта 1984 г.). «Единая теория распространения упругих волн в поликристаллических материалах» . Журнал Акустического общества Америки . 75 (3): 665–681. Бибкод : 1984ASAJ...75..665S . дои : 10.1121/1.390577 . ISSN 0001-4966 .
^ Патент США № 3260105 на устройство и метод ультразвукового контроля, выданный Джеймсу Ф. Макналти, в строках 37–48 и 60–72 столбца 1 и строках 1–4 столбца 2.

Дальнейшее чтение

Альберт С. Биркс, Роберт Э. Грин-младший, технические редакторы; Пол Макинтайр, редактор. Ультразвуковой контроль , 2-е изд. Колумбус, Огайо: Американское общество неразрушающего контроля , 1991. ISBN 0-931403-04-9 .
Йозеф Крауткремер, Герберт Крауткремер. Ультразвуковой контроль материалов , 4-я полностью изд. ред. Берлин; Нью-Йорк: Springer-Verlag, 1990. ISBN 3-540-51231-4 .
Джей Си Друри. Ультразвуковая дефектоскопия для технических специалистов , 3-е изд., Великобритания: Silverwing Ltd., 2004 г. (см. главу 1 , архивировано 17 октября 2006 г. на сайте Wayback Machine онлайн (PDF, 61 КБ)).
Справочник по неразрушающему контролю, Третье изд.: Том 7, Ультразвуковой контроль. Колумбус, Огайо: Американское общество неразрушающего контроля.
Обнаружение и локализация дефектов в электронных устройствах с помощью сканирующей ультразвуковой микроскопии и измерения вейвлет-преобразования, Том 31, Выпуск 2, март 2002 г., страницы 77–91, Л. Ангрисани, Л. Бешу, Д. Даллет, П. Дапонте, Ю. Оустен
Чарльз Хеллиер (2003). «Глава 7 – Ультразвуковой контроль». Справочник по неразрушающему контролю . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-028121-9 .

[quality15-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Неразрушающий контроль дефектов в металлических компонентах Журнал «Качество», август 2015 г., страницы 31–32, Дэн ДеВрис

[2] Мэтлак, К.Х.; Ким, Ж.-Ю.; Джейкобс, LJ; Цюй, Дж. (01 марта 2015 г.). «Обзор методов измерения генерации второй гармоники для определения состояния материала в металлах» (PDF) . Журнал неразрушающего контроля . 34 (1): 273. doi : 10.1007/s10921-014-0273-5 . hdl : 20.500.11850/103909 . ISSN 0195-9298 . S2CID 39932362 .

[3] Мостави, Амир; Камали, Негар; Тегерани, Нилуфар; Чи, Шэн-Вэй; Озевин, Дидем; Индакочеа, Дж. Эрнесто (2017). «Вейвлет-гармоническое разложение ультразвукового сигнала при оценке пластической деформации алюминия» . Измерение . 106 : 66–78. Бибкод : 2017Измер..106...66M . doi : 10.1016/j.measurement.2017.04.013 .

[iowastate-4] ttps://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/EquipmentTrans/Couplant.htm Couplant Университет штата Айова - Центр неразрушающего контроля получено 1 августа 2021 г.

[:0-5] Лю, Ю; Тянь, Цян; Гуань, Сюэфэй (сентябрь 2021 г.). «Оценка размера зерна с использованием затухания ультразвука с фазированной решеткой» . НДТ и Е Интернешнл . 122 : 102479. doi : 10.1016/j.ndteint.2021.102479 . ISSN 0963-8695 .

[:2-6] Jump up to: ^а ^б Цзэн, Фэй; Агнью, Шон Р.; Реисиния, Бабак; Минени, Ганапати Р. (31 марта 2010 г.). «Затухание ультразвука из-за рассеяния на границах зерен в чистом ниобии» . Журнал неразрушающего контроля . 29 (2): 93–103. дои : 10.1007/s10921-010-0068-2 . ISSN 0195-9298 .

[:1-7] Станке, Фред Э.; Кино, Г.С. (1 марта 1984 г.). «Единая теория распространения упругих волн в поликристаллических материалах» . Журнал Акустического общества Америки . 75 (3): 665–681. Бибкод : 1984ASAJ...75..665S . дои : 10.1121/1.390577 . ISSN 0001-4966 .

[8] Патент США № 3260105 на устройство и метод ультразвукового контроля, выданный Джеймсу Ф. Макналти, в строках 37–48 и 60–72 столбца 1 и строках 1–4 столбца 2.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

Базы данных авторитетного контроля
Международный	БЫСТРЫЙ
Национальный	Германия Соединенные Штаты Япония Чешская Республика