книги / Применения ультразвука

Данный принцип действует только в лабораторных условиях. Голография в проходящих лучах не подходит для ультразвуковых неразрушающих испытаний (NDT). В последних широко исполь­ зуется ультразвуковой импульсный метод (он подробно рассмат­ ривается в главе 7). По этой причине в NDT получил распростра­ нение другой метод —линейная акустическая голография.

(II)Импульсная акустическая голография в отраженных лучах

Вданном методе образец погружают в ванну с водой. Преобразователь помещают непосредственно над образцом так, что он может передвигаться вдоль него от одного конца к другому.

Спомощью генератора преобразователь производит высокочас­ тотные ультразвуковые импульсы. Рис. 5.22 иллюстрирует экспе­ риментальную установку, используемую в импульсной акустичес­ кой голографии в отраженных лучах.

Рис. 5.22. Схема импульсной голографии в отраженныхлучах

Ультразвуковые импульсы проходят в образец и отражаются от его задней поверхности благодаря изменению акустического им­ педанса при условии, что в образце отсутствуютдефекты. Если на пути волн встречается дефект, они отражаются, опять же по при­ чине изменения импеданса. Отраженные импульсы поступают на тот же самый преобразователь и передаются в сканер. Принятые импульсы усиливаются усилителем и передаются в преобразова­ тель частоты вместе с опорными сигналами, поступающими от

источника. Данные с выхода частотного преобразователя модули­ руются и передаются на CRT (рис. 5.22).

Так голограмма появляется на экране CRTк записывается при помощи соответствующего оборудования (рис. 5.23).

Голографическая пластина

Рис. 5.23. Воссоздание голограммы —экспериментальная установка

Воссоздание голограммы осуществляется посредством лазер­ ного луча. Он генерируется источником с длиной волны порядка 0,5 микрометра. Луч падает на линзу L r Лазерный луч, рассеян­ ный линзой L p попадает в оптическую систему, состоящую из двух линз, между которыми помещена голографическая пласти­ на. При этом некоторая часть луча фиксируется на голограмме. Апертура отклоняет лазерный луч, дифракция которого не была зафиксирована на голограмме. Голограмма полностью формиру­ ется на экране после прохождения через линзу LT Одним из по­ следних достижений в данной области является линейная акусти­ ческая голография.

(III) Линейная акустическая голография

Принцип

В линейной акустической голографии, основанной на им­ пульсном методе, сканирование производится вдоль линии, а ультразвуковой преобразователь имеет широкий раскрыв луча в плоскости, проходящей через линию сканирования. Эхо-сигна­ лы, поступающие от образца, дополняются двумя опорными сиг­ налами с фазовыми углами 0° и 90° В результате получают дейс­ твительную и мнимую составляющие для точек, сканируемых в образцах. Эти данные сохраняются в компьютере с помощью квадратичных фазовых функций. Так, компьютер определяет вос­ создание проекции, угол наблюдения, а также находит интенсив­ ность ультразвукового поля в точке дефекта. Интенсивность ис­ пользуется для того, чтобы определять размер дефекта в образце.

Линейная голография позволяет исследовать важные па­ раметры дефектов, что применяется в оценке механики разру­ шения. Для охвата дефекта по длине и глубине осуществляется линейное сканирование в двух взаимно перпендикулярных на­ правлениях [69] (рис. 5.24). В дефектоскопии успешно применя­ ются угловые (наклонные) зонды, использующие продольные и поперечные волны с частотой 1 МГц. Метод, где задействуются поперечные волны частоты 4 МГц, позволяет оценивать размер трещин, непровара (дефект сварки), шлаковых включений и не­ достаточность проплавления сварных ферритовых трубопроводов [70]. Результаты определения глубины трещин методом линейной голографии и путем разрушения образца хорошо согласуются.

Линейное сканировали^

Воссоздание.,

интенсивность звукового поля

Рис. 5.24. Линейная голография

5.4.5. Интеллектуальная обработка материалов

Интеллектуальная обработка материалов (IPM) — это значитель­ ный шаг в направлении производства материалов, которые соот­ ветствуют поставленной задаче и не нуждаются в проверке качес­ тва после их изготовления. Технология IBM нацелена на оценку качества материалов в режиме реального времени посредством получения их характеристик методами неразрушающих испыта­ ний (NDT). Контроль параметров процесса осуществляется с по­ мощью контура обратной связи. Сердцем технологии /РМявляется развитие методов неразрушающих испытаний, пригодных для оценки качества в процессе обработки. Технология IPM по своей природе многопрофильна, и для ее реализации нужны специалис­ ты по материаловедению, методам неразрушающих испытаний, технологии обработки материалов, инструментарию, управлению данными и т.д. Применение технологии IPM позволяет получать продукты с улучшенным качеством, добиваться однородности,

2 1 0 Глава 5. Общие и прогрессивные способы примененияультразвука

сокращения отходов производства, низкого энергопотребления и низкой стоимости. Понятно, что научные, технологические и управленческие навыки, а также способности высочайшего уров­ ня играют важную роль в успехе IPM. Последствия этого успеха феноменальны и выражаются в виде качественных продуктов, уменьшения отходов, снижения энергопотребления и достижения качества, согласующегося с требуемым уровнем производитель­ ности. Концепция IPM изначально предназначалась для матери­ алов с улучшенными характеристиками, таких как арсенид галлия (GaAs) и углерод-углеродные композиты, где первоначальными требованиями являются качество и унифицированные характе­ ристики с минимальным разбросом [71—76].

Способность следить за материалами и производственными процессами в режиме адаптивного управления и проводить об­ следование в реальном времени представляет большой интерес для многих отраслей промышленности: химической, аэрокосми­ ческой, автомобильной, атомной, кораблестроительной и т.д. В настоящее время развитие материалов с улучшенными характе­ ристиками и производственных процессов с жестким допуском ограничено неспособностью тщательно отслеживать и контро­ лировать эти процессы. Интеллектуальные автоматизированные системы контроля процессов важны для получения продуктов с высоким качеством и требуемыми характеристиками, а также для обеспечения воспроизводимости, надежности и стопроцентной пригодности. Технология интеллектуальной обработки материа­ лов нацелена на оценку качества при проведении физических не­ разрушающих испытаний или на получение других приемлемых характеристик для контроля параметров процесса через контур обратной связи. Решающее значение в данной технологии имеет подтверждение жизнеспособности теоретических моделей экс­ периментальными интерпретациями, полученными с помощью интеллектуальных датчиков. Таким образом, сердцем IPM явля­ ется развитие методов, которые приемлемы для оценки качества в процессе производства и контроля посредством обратной связи.

Многопрофильный характер сварочной технологии и разно­ образие влияющих параметров обусловили интенсивность техно­ логической информации и зависимость от опыта работы в данной сфере. Инженеры в области сварки все больше пользуются ком­ пьютерными методами для решения своих задач. В большинстве случаев они работают с родственными базами данных. Более ин-

теллектуальный доступ к информации о сварке и критериям при­ нятия решения может быть реализован с помощью экспертных систем. Связывание данных, основанных на знаниях, с расчета­ ми и информационными системами позволяет повысить потен­ циал и лучше использовать накопленный опыт. Значительными преимуществами в данной области обладают нейронные сети благодаря своей способности управлять избыточной и сложной информацией. Нейронные сети представляют собой форму на­ стоящего искусственного интеллекта и по своему действию ана­ логичны биологическим нейронам мозга. Им присущи многие полезные свойства, такие как способность обучаться, анализиро­ вать данные, обобщать и способность справляться с шумовыми или хаотичными сигналами. Метод использует нейронные сети для выявления и измерения важной информации о геометрии свариваемых деталей. «Обученная» экспертная система, основан­ ная на нейронных сетях, предоставляет фундаментальную инфор­ мацию, требуемую для позиционного регулирования и контроля проплавления в режиме реального времени.

В настоящее время исследуются области, в которых были оп­ робованы концепции интеллектуальной сварки. Здесь следует подчеркнуть, что для автоматизации сварки уже настала эра ин­ теллектуальных робототехнических систем. Были разработаны полностью автоматизированные интеллектуальные элекгродуговые сварочные роботы, которые одновременно контролировали сварочное проплавление и высоту наплавного слоя сварного шва. Такая система состоит из камеры на приборах с зарядовой связью (CCD), которая следит за сварочной ванной и производит соот­ ветствующее регулирование в режиме реального времени на осно­ ве обратной связи. Система успешно применялась для стыковой сварки цилиндрических баллонов для сжатого газа, выполненных из нержавеющей стали, и резервуаров для хранения сжиженного газа. Сообщалось об обширной работе, проделанной в области применения роботов в электродуговых сварочных процессах.

Обзорлитературы позволяет выделитьдва подхода к интеллек­ туальной сварке и соответственно две школы. Первый подход ос­ нован на улавливании и оценке электрических сигналов (напря­ жение, ток) и зависимых параметров (мощность и сопротивление как функции времени), а также на последующем статистическом анализе сигналов и их интеллектуальной обработке. Другая, более новая тенденция подразумевает использование датчиков для не­

разрушающих испытаний, чтобы контролировать акустическую эмиссию, применение рентгеновских лучей, ультразвукового и инфракрасного излучения. В следующем разделе рассмотрено не­ сколько примеров.

Главным параметром, который контролирует излучающую микроструктуру, является распределение температуры в горячей заготовке (предполагается, что состав материала уже контролиру­ ется). Даже несмотря на то что температура не является прямым металлургическим параметром, она контролирует микрострукту­ ру, а ее измерение очень полезно для интеллектуального контроля над процессом. В настоящее время стали доступными алгоритмы, которые предсказывают окончательную микроструктуру, исходя из информации о распределении температуры [77]. Принимаются усилия по созданию датчика (лазерной системы бесконтактного типа для генерации и обнаружения ультразвука), основанного на принципах определения скорости ультразвука и позволяю­ щего получать полное температурное распределение в горячем металле [78]. Dillinger Huettenwerke (Германия) использует систе­ му автоматического ультразвукового тестирования пластин в ре­ жиме реального времени и воссоздания результатов (AUGUR) для обнаружения и определения размеров трещин в толстых листах, а также для оценки результатов в соответствии со стандартными требованиями к приемке [79]. Полученная с помощью С-скани- рования картина дефектов помогает в разработке плана раскроя, позволяя избавиться от дефектных областей и минимизировать отходы производства.

Для непрерывного мониторинга и контроля многопереход­ ного процесса электродуговой сварки разрабатывается ультра­ звуковая система, работающая в режиме реального времени [80]. Экспериментальные результаты показывают, что можно обнару­ живать и определять местонахождение границ жидкость/твердое тело в сварке. Измерения позволяют понять воздействие градиен­ тов высокой температуры вблизи зоны расплава на распростране­ ние ультразвуковой волны. Ультразвуковая эхо-импульсная сис­ тема, которая осуществляет непрерывный мониторинг качества расплавленного алюминия во время литья и оценивает обработку расплавленного металла и/или операции очистки (флюсование и фильтрация), была разработана Reynolds Metalls Company [81]. Стандартный пьезоэлектрический преобразователь помещается на титановый стержень, погружаемый в жидкий металл. Зонд поз­

воляет измерять затухание ультразвука при фиксированной длине жидкой среды, в которой определяют содержание неметалличес­ ких веществ.

5.4.6. Измерение остаточного напряжения

Остаточным называется напряжение, которое сохраняется в ма­ териале или компоненте при постоянной температуре и при ус­ ловии отсутствия внешних нагрузок. Остаточное напряжение возникает, когда в части материала имеет место неоднородное постоянное изменение размеров. Это изменение происходит как пластическая деформация, но также может быть вызвано локализованным упругим растяжением или сжатием материала. Существует множество способов осуществления неоднородной деформации. К примеру, если не получается совместить идеаль­ ным образом две части, их можно соединить с помощью сварки. Холодная прокатка, прессование и другие операции по обработ­ ке металлов, как правило, вызывают большие смещения матери­ алов вблизи поверхности по сравнению с внутренними смещени­ ями. Охлаждение сплава после термообработки может привести к изменению одной или более металлургических фаз или состав­ ляющих, когда новые фазы обладают свойствами, которые отли­ чаются от свойств, соответствующих материалу. Дробеструйное упрочнение, цементация и другие способы упрочнения, изменя­ ющие поверхность образца без воздействия на его внутреннюю часть, могут стать причиной остаточного напряжения. Короче говоря, практически каждое воздействие на металл и каждая опе­ рация по его обработке имеют следствием остаточное напряже­ ние в той или иной степени.

Остаточное напряжение можно обобщенно разделить на две группы: (I) остаточное макронапряжение, или напряжение первого типа, оно имеет технологическую природу и измеряет­ ся в области, которая включает несколько зерен; (И) остаточное микронапряжение, или напряжение второго типа, оно связано с напряженным состоянием, вызванным микрострукгурными не­ однородностями, которые ограничиваются отдельными зернами или определенной совокупностью одинаково ориентированных зерен. Наибольший интерес представляет остаточное макрона­ пряжение, именно его измеряют с помощью большинства доступ­ ных методов.

Значимость

Наличие остаточного напряжения, как правило, приводит к преждевременному разрушению компонентов вследствие увеличе­ ния концентрации напряжений или повышения чувствительности к разрушающим механизмам, таким как усталость и образование тре­ щин под воздействием напряжения, вызванного коррозией. Однако в некоторыхслучаяхостаточное напряжение может приносить поль­ зу. К примеру, присутствие в материале приблизительно упорядо­ ченных сжимающих остаточных напряжений смягчает воздействие внешних растягивающих напряжений. Дробеструйное упрочнение, которое вызывает поверхностные сжимающие остаточные напря­ жения, позволяет увеличить усталостную прочность компонента. Пагубное воздействие остаточных напряжений наблюдается только после того, как появится внешняя нагрузка. Следовательно, коли­ чественное определение остаточного напряжения важно на предо­ перационной стадии. Другая значимая для измерения остаточного напряжения причина заключается в том, что это позволяет оценить и направить в нужное русло разработку новых производственных процессов. К примеру, сравнительно малые изменения в графи­ ке термообработки, скорости механической обработки, сварочных характеристиках и т.д. обусловливают различия между искривлен­ ными или подверженными разрушениям компонентами с ярко вы­ раженными распределениями остаточного напряжения и компо­ нентами, относительно свободными от напряжения.

Остаточные напряжения в компоненте обычно являются до­ статочно сложными по своей природе. Полное установление трехмерной картины состояния остаточного напряжения пред­ ставляет собой сложную задачу. Эта задача требует определения не только поверхностных, но и объемных напряжений по трем основным осям. Поверхностное и объемное напряжения взаимо­ связаны. При изменении поверхностного напряжения меняется и объемное напряжение, а компонент оказывается в новой ситу­ ации. К примеру, просверливание отверстий или поверхностная коррозия ослабляет нагрузку на поверхности и, следовательно, влияет на объемное остаточное напряжение. По этой причине нужно обладать знаниями не только о поверхностных, но и об объемных остаточных напряжениях, чтобы избежать преждевре­ менного разрушения компонентов.

В основе ультразвуковых методов измерения остаточного на­ пряжения лежит влияние нагрузки на скорость распространения

упругих волн. Когда материал деформируется в ответ на механи­ ческое напряжение, скорость ультразвука претерпевает незначи­ тельное изменение. Механизмы этого изменения включают из­ менения плотности, сил межатомного взаимодействия и т.д. Тем не менее оказалось, что изменение скорости зависит от состояния деформации и, следовательно, состояния напряжения в твердом теле. Зависимость называется эффектом акустической упругос­ ти. Изменение скорости, спровоцированное напряжением, как правило, подчиняется линейному закону и может быть описано простым соотношением:

где U—скорость ультразвука при наличии напряжения, U0 —ско­ рость при отсутствии напряжения, А —константа акустической упругости, а —напряжение.

Однако поскольку в вышеприведенном уравнении присутс­ твует напряжение, это означает, что сначала нужно определить константу акустической упругости. Для этой цели необходимо протестировать стандартный образец, обладающий аналогичной структурой, что и компонент, в котором измеряется остаточное напряжение (сварные пластины или прокатаннаялистовая сталь). Тестирование проводят в универсальной тестирующей машине

(UTM). Используемые образцы производят по стандартам ASTM для проверки на растяжимость.

Изменение скорости ультразвука, связанное с напряжением, как правило, незначительно и не превышает 1%. Из электронных мето­ дов, предназначенных для измерения этого изменения скорости, наиболее простым и наименее чувствительным к изменениям ка­ чества цуга ультразвуковых эхо-сигналов является метод перекры­ вания эхо-импульсов (РЕО) [82]. Серийные измерительные прибо­ ры подобного рода, как правило, недоступны, поэтому их создают с нуля. Ниже перечислены главные шаги, которым нужно следовать при измерении остаточного напряжения в ультраакустике:

1) определение константы акустической упругости (AEQ ма­ териала или компонента с помощью стандартного образца, под­ вергающегося растяжению при нагрузке;

2)измерения скорости ультразвука в обследуемых материале или компоненте;

3)определение остаточного напряжения с помощью АЕС.

Было опробовано с различной степенью успеха несколько методов. К примеру: (I) продольные волны можно использовать в режиме незатухающих отраженных волн для возбуждения резо­ нансной частоты в образце. Резонансная частота, в свою очередь, зависит от воздействия деформации на ультразвуковую волну и скоростей ультразвука в материале, что определяется напряжени­ ем [83]. (II) Изменения скорости ультразвуковой продольной вол­ ны, распространяющейся через толщу материала, можно связать

сналичием в нем напряжения [84]. (III) Поляризованные попе­ речные волны можно использовать для оценки двойного лучепре­ ломления в образце, обусловленного напряжением, по аналогии

соптическими методами двойного лучепреломления, то есть фо­ тоупругостью [85]. (IV) Изменения скорости поверхностных волн между двумя точками на поверхности образца можно связать с де­ формацией и напряжением между этими точками [86].

После дифракции рентгеновских лучей ультраакустика, без­ условно, является самым передовым из всех неразрушающих методов оценки остаточных напряжений. Специфическое пре­ имущество ультраакустики перед рентгеновской дифракцией заключается в том, что первую можно использовать для изме­ рения поверхностного и объемного остаточного напряжения. Ультразвуковые методы измерения скорости звука являются по­ истине неразрушающими при оценке поверхностных и объемных холоднокатаных сварных прокладок, и они достаточно быстро определяют остаточное напряжение по сравнению с другими ме­ тодами измерения деформаций. Использование рэлеевских волн позволяет измерять поверхностное остаточное напряжение путем ультразвукового метода NDT. Разработка соответствующих элек­ тромагнитных акустических преобразователей (ЕМАТ) для гене­ рации и обнаружения поверхностных волн Рэлея является серь­ езным предприятием.

Как бы то ни было, ультразвуковым методам присущи неко­ торые ограничения. Для того чтобы связать результаты измере­ ния ультразвуковой скорости с напряжением, нужны постоянные упругости более высоких порядков. Как правило, эти константы неизвестны, и их нужно выводить экспериментально для конк­ ретного тестируемого материала. На эти константы влияет мик­ роструктура, что требует тщательной интерпретации. Чтобы из­ бавиться от такого влияния, используются различные методы исследования и виды волн. Величина, выведенная в конкретном