Способ ультразвукового контроля поверхности твердого тела

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Баев Алексей Романович Майоров Александр Леонидович Тищенко Михаил Александрович Асадчая Мария Вадимовна Коновалов Георгий Евменьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Способ ультразвукового контроля поверхности твердого тела посредством определения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий помещение исследуемого тела в жидкость, облучение заданной точки на его поверхности импульсом ультразвуковой волны пьезоэлектрического преобразователя с последующим его отражением от поверхности на рефлектор и определение искомой скоростис учетом измеренного углападения волны на поверхность тела и известной ее скорости в используемой жидкости,отличающийся тем, что прохождение импульса по трассе преобразователь - тело - рефлектор, длину которой во избежание расходимости волнового фронта выбирают не большей длины зоны Френеля, обеспечиваютраз, где 3, отраженный импульс принимают указанным преобразователем при четноми указанным рефлектором, совмещенным со вторым преобразователем, - при нечетном , в качестве углаизмеряют угол, соответствующий локальному минимуму зависимости амплитуды отраженного импульса от угла падения, и определяют скоростьв соответствии с выражением 14725 1 2011.08.30 ж 1 ,где ж - скорость волны в жидкости,а в качестве указанной жидкости используют иммерсионную магнитную жидкость на водной основе с объемной концентрацией магнетика не более 8 , намагниченную до значения, меньшего критического значения возникновения рэлеевской неустойчивости,полем магнитной системы с градиентом напряженности, направленным к указанной точке отражения. Изобретение относится к области акустического контроля и может быть использовано в машиностроении, строительстве, медицине и др. применительно к определению физикомеханических характеристик и структуры поверхности твердого тела. Известен способ определения физико-механических свойств поверхности твердого тела посредством определения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий помещение исследуемого тела в жидкость, облучение заданной точки на его поверхности импульсом ультразвуковой волны излучающего ультразвукового преобразователя с последующим его однократным отражением от поверхности и приемом его приемным преобразователем, установленным симметрично излучающему преобразователю, и определение искомой скоростис учетом известной ее скорости в используемой жидкости и измеренного угла падения волнына поверхность тела, при котором амплитуда отраженной волны принимает минимальное значение 1. Этот способ удовлетворяет требуемой точности именно тогда, когда имеется существенная разница в упругих свойствах поверхностного слоя и основы, и непригоден в том случае, когда эти свойства изменяются не столь сильно (несколько процентов), как,например, при поверхностной закалке. Наиболее близким по технической сущности является гониометрический способ определения скорости поверхностной волны, включающий помещение исследуемого тела в жидкость, облучение заданной точки на его поверхности импульсом ультразвуковой волны ультразвукового преобразователя с последующим приемом импульса, отраженного от рефлектора, и определение искомой скоростис учетом известной ее скорости в используемой жидкости и измеренного угла падения волнына поверхность тела, при котором амплитуда отраженной волны принимает минимальное значение 2. В этом способе за счет двукратного переотражения от исследуемой поверхности несколько повышается точность измерений вследствие более точного определения угла ,при котором амплитуда отраженного от рефлектора импульса ультразвуковой волны принимает минимальное значение. Однако при этом точность измерений недостаточна, если упругие свойства или скорость поверхностной волны на поверхности исследуемых твердых тел изменяются на несколько процентов. Кроме того, при помещении твердого тела в жидкость в области поверхности отражения ультразвуковых волн появляются захватываемые поверхностью пузырьки газа, вызывающие изменение коэффициента отражения звука от исследуемой границы и снижающие надежность измерений. Поэтому требуются значительные временные затраты для устранения этого паразитного эффекта - очистки поверхности объекта от пузырьков. Техническая задача изобретения заключается в повышении надежности и точности контроля поверхности твердого тела. Сущность предложенного способа ультразвукового контроля поверхности твердого тела заключается в том, что в иммерсионную жидкость с установленными в ней излучающим наклонно ультразвуковые волны преобразователем и рефлектором помещают исследуемое тело, облучают заданную точку на его поверхности импульсом ультразвуковой волны ультразвукового преобразователя с последующим приемом импульса после-кратного прохождения им по трассе преобразователь - тело - рефлектор, где 3 причем 2 14725 1 2011.08.30 причетном ультразвуковой импульс принимают излучающим преобразователем, а принечетном - преобразователем, совмещенным с рефлектором. Длину же трассывыбирают не более длины зоны Френеля , избегая тем самым расхождения волнового фронта, что обеспечивает более резкое изменение угловой зависимости амплитуды принимаемого импульса ультразвуковой волны в окрестности локального минимума угланаклона преобразователя. Т.е. амплитудный параметр/, характеризующий тангенс угла наклона исследуемой зависимости амплитуды импульса на преобразователе,вблизи локального минимума возрастает, что обеспечивает более точное и надежное измерение угла . Искомую скорость поверхностной волныдля твердого тела определяют по данным измеренияи скорости звука в иммерсионной жидкости Сж(1)ж-1. Для повышения надежности и точности измерений за счет устранения возможного появления пузырьков воздуха на межфазной иммерсионная жидкость - тело при погружении тела, а также - влияния флуктуации температуры в качестве иммерсионной жидкости используют магнитную жидкость на водной основе с объемной концентрацией магнетика не более 8 , намагниченную до значения, меньшего критического значения возникновения рэлеевской неустойчивости, полем магнитной системы с градиентом напряженности,направленным к указанной точке отражения. Применение магнитной жидкости в качестве иммерсионной среды, находящейся в магнитном поле указанной конфигурации и с концентрацией магнитного коллоида не более 8 , позволяет создавать в жидкости градиент давления, обеспечивающий вынос пузырьков газа из области распространения ультразвукового импульса и поддерживать устойчивость свободной поверхности коллоида. Так, в магнитной жидкости под воздействием градиента напряженности магнитного поляпроисходит миграция немагнитных несплошностей в сторону, противоположную направлению вектора , под воздействием силы, где- намагниченность магнитной жидкости. Для устранения же паразитного эффекта - рэлеевской неустойчивости свободной поверхности магнитной жидкости, замедляющей выход из зоны жидкого звукопровода указанных несплошностей,руководствуются соотношением 4(2) М 21/40-1/21-1/21/4,гдеи- плотность магнитной жидкости и ее поверхностное натяжение соответственно 0 - абсолютная магнитная проницаемость, аи- дифференциальная и средняя магнитные проницаемости магнитной жидкости соответственно. Это позволяет устранить нестабильность амплитуды отраженных импульсов, вызванную указанными факторами. Выбор же водной основы в качестве иммерсионной жидкости обусловлен необходимостью устранить влияние температурных флуктуации на измерение скорости поверхностной волны, поскольку при этом температурный коэффициент скорости у магнитной жидкости значительно ниже, чем у известных жидких сред. На фигуре представлена принципиальная схема устройства, реализующая предлагаемый способ ультразвукового контроля поверхностных свойств твердых тел. Устройство включает камеру 1 с иммерсионной жидкостью 2, в качестве которой использована магнитная жидкость, исследуемый объект - твердое тело 3, излучающий ультразвуковые волны преобразователь 4 и облучающий на поверхности тела точкурефлектор 5(совмещающий при нечетномфункцию приемного преобразователя), установленные на вращающихся относительно оси 0 опорах (не показаны) магнитную систему 6, обеспечивающую требуемую конфигурацию магнитного поля, воздействующую на иммерсионную жидкость 2 (или магнитную жидкость). Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. В камеру 1 с иммерсионной жидкостью 2, в качестве которой используется магнитная жидкость, устанавливают на ограничивающие опоры (не показаны) контролируемое твердое тело 3 таким 3 14725 1 2011.08.30 образом, что заданная точка облученияультразвуковыми волнами на отражающей их поверхности тела 3 находится на пересечения акустических осей преобразователя 4 и рефлектора 5 (совмещающего функцию приемного преобразователя). При проведении измерений амплитуды отраженного импульса ультразвуковой волны, проходящего по трассе пьезопреобразователь 4 - тело 3 - рефлектор 5 используется количество переотражений импульсов 3. Причем при четномизлучение и прием импульсов, переотраженных между пьезопреобразователем 4 и рефлектором 5, производится с помощью преобразователя 4, а принечетном - преобразователем, совмещающим функцию рефлектора 5 и выполненным конструктивно так же, как и излучающий преобразователь 4. Длину же трассы, пройденной импульсом ультразвуковой волны согласно схеме преобразователь 4 - тело 3 - рефлектор 5, выбирают во избежание расходимости волнового фронта ультразвуковой волны согласно (3)(3) ф 2/,где- радиус излучающей (принимающей) ультразвуковые волны поверхности преобразователя- длина волны в жидкости ф - длина зоны Френеля. Преобразователь (преобразователи) подключают к источнику и приемнику электрических колебаний. С помощью прецезионного червячного механизма устанавливают такое угловое положениедля преобразователя 4 и рефлектора 5, при котором амплитуда-кратно отраженного от тела импульса (3) как функция углаимеет локальный минимум, обусловленный максимальным преобразованием энергии падающих на поверхность тела 3 продольных ультразвуковых волн в поверхностные волны, а затем определяют скорость поверхностной волныпо данным углаи скорости продольной волны в жидкости Сж (формула 1). Для повышения надежности и точности измерений путем нивелирования влияния пузырьков газа (появляющихся при установке тела 3 в рабочее положение - погружение в иммерсионную жидкость 2) на стабильность амплитуды отраженных импульсов ультразвуковой волны на иммерсионную (магнитную) жидкость воздействуют магнитным полем магнитной системы 6 с градиентом напряженности, направленным к заданной точке О на поверхности тела 3 и намагничивающим магнитную жидкость 2 до намагниченности,меньшей критического значения возникновения рэлеевской неустойчивости. В качестве иммерсионной жидкости 2 могут быть использованы магнитные жидкости на органической и неорганической основах. Как показали опытные испытания, в настоящее время наилучшие показатели по надежности и точности измерений реализуются для случая использования магнитной жидкости на водной основе, имеющей объемную концентрацию магнетика не более 8 . Экспериментально установлено, что при концентрациях магнетика в коллоиде более 8 структурная устойчивость коллоида и его акустические свойства во внешних полях становятся нестабильными, возрастает вязкость, что приводит к понижению точности определения измеряемых параметров. Для устранения этого паразитного фактора образец магнитной жидкости выдерживался в течение суток в поле центробежных сил 6000 и в неоднородном магнитном поле с Н 4105 А/м 2 и 3107 /м 2. Именно после такой магнитной обработки свойства магнитной жидкости при наложении полей в процессе измерений неизменны, но при этом концентрация магнетика, соответствующая стабильным звукопроводным свойствам коллоида, не превышала 8 . Необходимо также отметить,что у водных растворов и магнитной жидкости на воде температурный коэффициент скорости в окрестности рабочих температур Т 24-30 в 3-4 раза меньше, чем в воде, а сама скорость в ней ж по величине наибольшая из известных - синтезированных и нетоксичных. Это позволяет существенно снизить влияние нестабильности температурных колебаний на надежность и точность измерения скорости импульса ультразвуковой волны 4. 4 14725 1 2011.08.30 Проведено опытное опробывание и сравнение заявляемого способа с прототипом на разработанной установке, реализующей модифицированный метод гониометра, включающий помещение металлического плоского образца (тела) в иммерсионную жидкость, облучение заданной точки на его поверхности импульсами ультразвуковой волны,измерение угла наклона отраженных от заданной точки на поверхности металлического образца (тела) объекта и рефлектора импульсов ультразвуковой волны , соответствующего локальному минимуму угловой зависимости амплитуды отраженных импульсов, и определение поверхностных свойств твердых тел по скорости поверхностной ультразвуковой волны согласно формуле (1). При этом для измерения углав реализующем заявляемый способ устройстве использован принцип трехкратного и четырехкратного прохождения импульса ультразвуковой волны по трассе преобразователь - тело - рефлектор. Были изготовлены преобразователи на рабочую частоту ультразвуковой волны 5 МГц, возбуждаемые пьезопластинами диаметром 20 мм, демпфированными конусообразными демпферами с близким акустическим сопротивлением и высоким поглощением звука. Для устранения шумового фона устанавливалось оптимальное положение преобразователя и рефлектора по отношению к заданной точке облучения . При этом во избежание расходимости волнового фронта соблюдалось условие (3), обуславливающее (при 3) малую методическую погрешность при измерениии, следовательно, высокую точность определения . Для устранения паразитных эффектов, снижающих точность измерений и вызванных захватом газовой фазы при установке образцов тела (основной фактор), а также влиянием температурной нестабильности, в качестве иммерсионной среды использована магнитная жидкость на водной основе. Концентрацию магнетика в ней подбирают не более 8 , а стабилизатором служит олеат натрияолеиновая кислота. Магнитную жидкость подвергают воздействию поля магнитной системы с градиентом напряженности, направленным к точке облучения импульсом ультразвуковой волны , и намагничивающего магнитную жидкость до намагниченности , меньшей критического значения возникновения рэлеевской неустойчивости (формула 2). Для реализации этих условий в качестве источника магнитного поля служит набор самарий-кобальтовых магнитов в виде параллелепипедов с вектором поляризациии, направленным преимущественно перпендикулярно плоскости поверхности отражения импульсов ультразвуковой волны. Это позволяет сформировать магнитное поле, имеющее глобальный максимум в окрестности точки облучения тела импульсами ультразвуковой волны, и обеспечить наискорейший вынос газовых несплошностей из зоны отражения ультразвуковых волн. Путем изменения положения магнитной системы были обеспечены (согласно формуле 2) также условия рэлеевской устойчивости свободной поверхности МЖ, что существенно нивелировало влияние защемленной газовой фазы на надежность и точность измерений. При проведении сравнительных испытаний в качестве источника и приемника электрического сигнала использован дефектоскоп УД 2-12, измеритель временных интервалов И 2-26 и осциллограф С 1-65, позволяющие наблюдать изменение амплитуды импульса ультразвуковой волны (с чувствительностью 0,1 дБ) в окрестностии определять его значение. Объектом испытаний служил стальной образец (Ст 45) с шероховатостью контактной поверхности не хуже 3 мкм. Колебания температуры магнитной жидкости в процессе измерений, фиксируемой медь-константановыми термопарами в течение 5 мин, не превышали сотых долей градуса. За счет ограничения рабочего диапазона угловых изменений(2,5) удалось значительно снизить погрешность установки угла ультразвукового преобразователя и рефлектора - до 1-2 мин. Необходимо отметить, что практически одновременно для всех используемых типов иммерсионных жидкостей определялась скорость поверхностной волны при двукратном отражении (прототип) и 3 и 4 (заявляемый способ). Количество измерений в каждом опыте 5. По этим данным определялисьотносительное отклонение среднего значения скорости поверхностной акустической вол 5 14725 1 2011.08.30 ныот истинной (известной) скорости поверхностной волны в образце(характеризует точность показаний)- относительное среднее отклонение (характеризует стабильность показаний). В результате проведенных испытаний установлено следующее. Если количество переотражений по трассе прохождения импульса ультразвуковой волны преоразователь - тело- рефлектор 3, а в качестве иммерсионной жидкости используется магнитная жидкость,то точность измерений, характеризуемая параметром , для заявляемого способа в 1,4(3) и 1,8 (4) раза выше, чем в случае использования способа-прототипа (2) для этих же условий параметр , характеризующий нестабильность (ненадежность) показаний, в 1,5 (3) и 2 (4) раза меньше, чем в случае использования способа-прототипа(2). Отметим, что результаты испытаний согласно прототипу были получены для условий двойного удаления пузырьков газа с контактной поверхности объекта и преобразователя (в течение 3-4 мин), когда иммерсионной средой служит вода. Таким образом,использование предложенного способа позволяет повысить надежность и точность измерения скорости распространения поверхностной волны и коррелирующих с ней физикомеханических свойств поверхностных слоев твердых тел по сравнению со способомпрототипом. Кроме того, существенно упрощается процедура измерений, значительно меньше габариты устройства и оно легко обслуживается. Источники информации. 1. Неразрушающий контроль Справочник / Под ред. В.В.Клюева, И.Н.Ермолов,Ю.В.Ланге. Ультразвуковой контроль. - М. Машиностроение, 2006. - С. 803 и рис. 7.66. 2. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. - . Металлургия, 1991. - С. 638-639 и рис. 1. 3. Баев А.Р, Прохоренко П.П., Серегин Е.И. Об акустических свойствах магнитных жидкостей применительно к ультразвуковой дефектоскопии // Весц АН Беларус. Сер. фз.-тэх. навук. -1 - 1983. - С. 46-50. 4. Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей. - М., 1985. - 188 с., 81, ф-ла 5.24. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6