автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Комплексный метод и устройство лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов в металлических и металлизированных изделиях

На правах рукописи

005060491

ХАСАНОВ АЛМАЗ АСХАТОВИЧ

КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЯХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о МАЯ

Казань-2013

005060491

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Промышленная электроника»

Научный руководитель: Калимуллин Рустем Ирекович

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Промышленная электроника»

Официальные оппоненты: Ваньков Юрий Витальевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

Ильин Герман Иванович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева - КАИ», зав. кафедрой

«Радиоэлектронные и квантовые устройства»

Ведущая организация: Исследовательский центр проблем энергетики

ФГБУН Казанского научного центра РАН (Академэнерго), г. Казань

Защита состоится 14 июня 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, тел./факс (843)562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета

Автореферат разослан « 2 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Калимуллин Рустем Ирекович

Актуальность работы.

Методы неразрушающего контроля активно используются на стадии выходного контроля изготовленных материалов, заготовок и изделий. Надежность и устойчивость к внешним воздействиям изделий машиностроения, авиастроения, свойства контактов в электронике во многом определяются качеством поверхностей материалов, а также нанесенных на них проводящих и диэлектрических слоев. При этом разновидности размещения напылений или слоев с каждым годом увеличиваются: металл на металле, металл на диэлектрике, диэлектрик на металле и т.д.

Существует большое разнообразие методов неразрушающего контроля, среди которых особое место занимает акустическая дефектоскопия. В настоящее время акустические методы диагностики занимают около 30% от всей области неразрушающего контроля и представляют большой интерес в связи с развитием методов бесконтактного возбуждения и детектирования ультразвуковых волн. Данными методами возможно выявление поверхностных трещин, усталостей и других сосредоточений неоднородностей в металлах, композитах, пластмассах и керамике.

Наиболее распространенными (до 90% от всех видов акустического контроля) являются контактные эхо-методы и методы акустической эмиссии в связи с простотой их реализации. Несмотря на это обстоятельство, контактные методы диагностики являются ограниченными в применении, поскольку современные материалы и изделия с микронной и субмикронной структурой требуют проведения бесконтактного контроля с возможностью обнаружения местоположения и размеров дефектов порядка 0,1-100 мкм. Проведение контроля таких сложных структур и изделий малых размеров возбуждением ультразвуковых волн при непосредственном контакте излучателя с объектом контроля или механическом воздействии на него неприемлемо. Поэтому разработка комплексных методов бесконтактного акустического контроля, основанных на различных видах взаимодействия ультразвуковых волн с дефектами, представляет собой задачу, определяющую качество дальнейшего выпуска новых материалов. Особое внимание следует обратить на методы бесконтактного лазерно-акустического контроля, позволяющие возбуждать не только поверхностные, но и объемные акустические волны, и тем самьм дистанционно сканировать поверхности и внутреннюю структуру проводящих и диэлектрических материалов.

Вышесказанное обусловливает актуальность проблемы контроля поверхностей металлических и металлизированных покрытий диэлектрических изделий бесконтактными методами неразрушающего контроля. Разработка более точного комплексного метода контроля дефектов в металлических и металлизированных изделиях позволит решить задачу повышения качества выходного контроля в авиационной, машиностроительной и электронной промышленности.

Объект исследования: поверхностные дефекты в металлических и металлизированных изделиях в виде трещин и нарушения сплошности.

Предмет исследования: эффекты взаимодействия акустических волн с

поверхностными дефектами и метод контроля на их основе.

Методы исследования: ультразвуковые методы неразрушающего контроля дефектов, вероятностно-статистические методы математической обработки результатов измерений.

Целью работы является разработка комплексного метода и устройства лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов, основанных на взаимодействии с ними рэлеевских и объемных акустических волн.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1. Выбор методик возбуждения и детектирования акустических волн, исследование их распространения в образцах без дефекта и с дефектами и взаимодействия волн с поверхностными дефектами в виде трещин и нарушения сплошности.

2. Разработка прототипа устройства лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов.

3. Разработка программы сбора и обработки результатов детектируемых акустических сигналов и управления автоматизированной системой перемещения объекта контроля.

4. Разработка способов обнаружения местоположения и определения размеров поверхностных дефектов на основе измеряемых амплитудных и временных параметров акустических волн.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработан способ определения наличия и местоположения поверхностных дефектов на основе обнаруженного явления трансформации на дефекте объемной акустической волны в волну Рэлея.

2. Обнаружено и исследовано изменение акустического хода при возбуждении поверхностных акустических волн вблизи дефекта и непосредственно в области дефекта, позволяющее определять местоположение и размеры (ширину и глубину) поверхностных дефектов.

3. Разработан комплексный метод лазерно-акустического контроля на основе эффектов взаимодействия объемных и поверхностных акустических волн с поверхностными дефектами, позволяющий сканировать всю контролируемую поверхность с исключением возможных мертвых зон.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются многократными исследованиями; сходимостью полученных результатов по затуханию объемных и поверхностных акустических волн с расстоянием с результатами, полученными другими авторами; воспроизводимостью результатов на стандартных модельных образцах, используемых для калибровки аттестованных дефектоскопов, в различных условиях взаимного расположения сканирующей системы и поверхностных дефектов; непротиворечивостью экспериментальных результатов известным теоретическим положениям.

Практическая значимость.

Разработанные метод и устройство позволяют контролировать дефекты в металлических и металлизированных диэлектрических изделиях. Устройство позволяет сканировать контролируемые поверхности методами отражения волн

Рэлея от дефекта, их прохождения через дефект с изменением акустического хода и прохождения объемных акустических волн через дефект с трансформацией в волну Рэлея, определять местоположение и размеры поверхностных дефектов до 0,5 мкм.

Реализация результатов работы.

Разработанный метод был использован в ООО НПЦ «Поиск-МарГТУ» (г. Йошкар-Ола), о чем имеется соответствующий акт.

На защиту выносятся.

1. Структурная схема разработанного и созданного устройства лазерно-акустического контроля дефектов, включающего в себя аппаратно-программный блок, реализующий сбор и обработку данных об акустических волнах, взаимодействующих с поверхностными дефектами.

2. Способ определения местоположения и глубины дефекта, расположенного вне области сканирования, на основе измеренных амплитудных и временных параметров отраженных от него волн Рэлея.

3. Способ определения местоположения и глубины дефекта, расположенного в области сканирования, на основе обнаруженного эффекта трансформации на дефекте продольной объемной акустической волны в волну Рэлея.

4. Способ определения местоположения, глубины и ширины дефекта, расположенного в области генерации акустических волн, на основе обнаруженного изменения акустического хода волны Рэлея, распространяющейся через дефект.

5. Разработанный комплексный метод контроля на основе явлений отражения акустических волн от дефекта и их прохождения через дефект, позволяющий сканировать всю контролируемую поверхность с исключением возможных мертвых зон.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

•Всероссийском научном семинаре «Бесконтактное возбуждение и прием ультразвука в металлах и практические аспекты их использования в неразрушающем контроле», 2010, Екатеринбург, ИФМ УрО РАН;

•XV, XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009, 2011, 2012, Москва, НИУ МЭИ;

•XVIII, XIX, XX Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения», 2010, 2011, 2012, Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева -КАИ;

•IV, V, VI, VII Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения», 2009,2010, 2011, 2012, Казань, КГЭУ;

•Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, системы и технологии», 2011, Томск, НИ ТПУ;

•Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)», 2011, Иваново, ИГЭУ.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта У.М.Н.И.К., государственный контракт № 9406 р /14181 от 1 июня 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и 8 в материалах всероссийских и международных научных конференций.

Личный вклад автора.

Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии соискателя. Автор принимал участие в разработке и создании устройства лазерно-акустического контроля, разработке комплексного метода лазерно-акустического контроля дефектов, обсуждении и обработке экспериментальных данных, написании статей и представлении докладов на конференциях. Соискателем лично разработаны и созданы электронные блоки усилителей сигналов, программное обеспечение для сбора и обработки данных об акустических сигналах и управления экспериментом, проведены все измерения.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования.

1. Разработанные способы определения местоположения и размеров поверхностных дефектов на основе явления трансформации на дефекте объемной акустической волны в рэлеевскую и на основе изменения акустического хода рэлеевской волны при ее распространении через дефект соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» паспорта специальности.

2. Разработка и создание устройства лазерно-акустического контроля металлических изделий и металлизированных покрытий диэлектриков соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности.

3. Разработка программы сбора и обработки данных об акустических сигналах соответствует п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 143 страницы, включая 90 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения. Библиографический список содержит 94 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая значимость выполненной работы, дается ее общее описание.

Первая глава посвящена обзору и сравнительному анализу существующих акустических методов неразрушающего контроля изделий.

Существуют методы бесконтактного акустического контроля с применением электромагнитно-акустических преобразователей, лазерных источников, генераторов объемного электрического разряда. Методы бесконтактного возбуждения акустических волн с применением электромагнитно-акустических преобразователей требуют близкого расположения источника к контролируемой поверхности для обеспечения высокого отношения сигнал/шум полезного сигнала. Метод бесконтактной ультразвуковой диагностики, заключающийся в использовании для возбуждения акустических волн мощного генератора объемного электрического разряда, ограничивается возможностью контроля только металлических или иных электропроводящих объектов контроля (ОК). Также к его недостатку можно отнести создание ударной акустической волны, основная энергия которой локализуется в подповерхностном слое ОК, что может привести к разрушению объема контролируемого объекта.

Недостатки интерферометрических, голографических методов бесконтактного детектирования акустических волн с применением зондирующих лазеров, а также методов детектирования с применением электромагнитно-акустических преобразователей связаны с низкой устойчивостью к помехам и вибрациям и низкой чувствительностью к сигналу, что делает их менее надежными по сравнению с существующими контактными методами детектирования ультразвуковых волн с применением пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).

Поэтому в заключении главы сделан вывод о целесообразности выбора метода лазерно-акустического контроля с применением импульсного лазерного источника для возбуждения и контактного ПЭП для детектирования акустических волн.

Во второй главе представлена структурная схема разработанного и созданного устройства лазерно-акустического контроля дефектов, описана программно-аппаратная реализация узлов и блоков, приведены результаты экспериментов по возбуждению и детектированию ультразвуковых волн, проведена оценка и расчет погрешностей. Разработанное устройство лазерно-акустического контроля дефектов (рис. 1) состоит из стандартных и оригинальных блоков (отмечены серым фоновым цветом на рис. 2).

Система лазерного возбуждения ультразвуковых волн в объекте контроля состоит из лазера на итгрий-алюминиевом гранате (УАв: Ш3+) с длиной волны на первой гармонике 1,064 мкм, длительностью импульсов 7,5 не и мощностью в импульсе около 1,3 МВт, работающего в режиме ручного запуска одиночного импульса или от внешнего запускающего генератора, серии светофильтров

(НС-1, НС-6, ИКС-3), а также системы фокусировки лазерного пучка в полоску с шириной 0,1 мм на основе коллиматора и цилиндрической линзы.

Рис. 1. Устройство лазерно-акустического контроля дефектов

Рис. 2. Структурная схема устройства лазерно-акустического контроля дефектов

Система детектирования ультразвуковых волн состоит из прикрепляемого на контролируемую поверхность контактного детектора на основе пластинчатого пьезоэлектрического преобразователя, малошумящего электронного усилителя, собранного по стандартной схеме, двухканального

цифрового осциллографа и персонального компьютера, отображающих временные диаграммы акустических сигналов. Отображение временных диаграмм осуществляется прилагаемым к осциллографу программным обеспечением SoftView 1.3 и оригинальной программой отображения и обработки данных, реализованной в среде LabVIEW фирмы National Instruments.

Для запуска осциллографа в режиме внешней синхронизации с моментом генерации ультразвуковых волн лазерным пучком и отсечения от электрических наводок, формируемых блоком питания и управления лазерного излучателя, используется система синхронизации, состоящая из фотодетектора и электронного усилителя, аналогичного используемому в системе детектирования ультразвуковых волн. В качестве сигнала синхронизации используется лазерный пучок, частично отраженный от поверхности цилиндрической линзы и преобразованный фотоприемником в электрический сигнал.

Система перемещения ОК позволяет осуществлять сканирование поверхности лазерным источником при неподвижном положении детектора или при одновременном перемещении источника и детектора с сохранением постоянного расстояния между ними. Данный блок состоит из подвижного кронштейна для ОК, шагового двигателя и системы управления шаговым двигателем, разработанной в среде LabVIEW.

Система управления, сбора и обработки данных представляет собой персональный компьютер, управляющий системами взаимного перемещения сканирующей системы и ОК, синхронизации осциллографа, детектирования ультразвуковых волн, калибровки акустического сигнала, а также обработкой поступающих сигналов. Функционирование данного блока осуществляется на основе оригинальных программ, разработанных в среде LabVIEW (рис. 3).

В результате многократно проведенных экспериментов по возбуждению и детектированию ультразвуковых волн в образце из алюминиевого сплава Д16АТ, стандартных модельных образцах из стали (Сталь 20, Сталь 45) с накоплением данных в режиме усреднения осциллографа на временной диаграмме были выделены сигналы продольной и поперечной объемных акустических волн (ОАВ) и волны Рэлея (рис. 3). Было установлено, что детектируемые ультразвуковые волны имеют большую амплитуду сигналов при их генерации лазерным пучком, сфокусированным в полоску, чем при фокусировке в пятно того же диаметра, что и ширина полоски. Также проведена оценка эффективности возбуждения ультразвуковых волн лазерным пучком, падающим на зеркальную отражающую и матовую поверхности. При сравнении ПЭП на основе пьезокерамики цирконата-титаната свинца (ЦТС 19) и монокристалла ниобата лития (LiNbOs) Z-среза с резонансной частотой (продольной моды со скоростью 7,33-103 м/с) 1 МГц было установлено, что амплитуда сигналов ультразвуковых волн, детектируемых ПЭП из ниобата лития, превышает в 1,3 раза амплитуду сигналов акустических волн, детектируемых ПЭП из пьезокерамики. Однако детектором из ниобата лития поперечная ОАВ вовсе не детектировалась.

Рис. 3. Лицевая панель программы, отображающая сигналы акустических волн на временной диаграмме: 1 - сигнал продольной объемной акустической волны (ОАВ); 2 - сигнал поперечной ОАВ; 3 - сигнал волны Рэлея

По проведенной оценке инструментальных погрешностей и чувствительности устройства лазерно-акустического контроля было установлено, что при измерении времени распространения акустических волн погрешность системы перемещения OK, обусловленная точностью отработки шага двигателем уш = 3,00%, составляет Дш = 0,07-10"6 м, погрешность цены деления на временной диаграмме составляет Дгц я. = 0,5109 с. При этом установлена высокая корреляционная связь с коэффициентом корреляции не менее 0,99 между значениями времени прохождения и рассчитываемыми значениями фазовой скорости для всех трех видов детектируемых акустических волн со значениями доверительного интервала, равными 0,01. Также определены уровни шумов, приведенных к входу электронных усилителей (-1,20-10^ В), и температурных шумов ПЭП (~410 4В) при температуре +20° С. Для продольной и поперечной ОАВ минимальное отношение сигнал/шум составило S/N = 3,80, для волны Рэлея, имевшей значительно большую амплитуду, минимальное отношение S/N = 40,00.

В третьей главе были проведены эксперименты по исследованию взаимодействия генерируемых ультразвуковых волн с поверхностными дефектами различных размеров. Для этой цели использовались стандартные стальные образцы предприятия «Микроакустика» СОП-НО-037 и СОП-НО-038 с эталонными дефектами в виде прорезей и образцы из двух марок сталей (Сталь 20, Сталь 45) с прорезями, искусственно нанесенными алмазным диском.

Для данной задачи реализованы три основные схемы эксперимента: в первой серии экспериментов дефект находится вне области возбуждения и детектирования ультразвуковых волн (рис. 4, а), для второй серии

экспериментов дефект расположен между областями возбуждения и детектирования акустических волн (рис. 4, б), в третьей серии экспериментов ультразвуковые волны возбуждаются сфокусированным лазерным пучком вблизи дефекта (рис. 4, в) и непосредственно в области дефекта (рис. 4, г) при одновременном перемещении лазерного источника и детектора с сохранением расстояния ¿1 между ними постоянным.

ПУЧОК 1 1Г—* ПЭП

ОК \

* 11 т

Рис. 4. Сканирование поверхности ОК при положении дефекта вне области сканирования (а); при положении дефекта между областями генерации и детектирования ультразвуковых волн (б); при возбуждении ультразвуковых волн вблизи (в) и непосредственно в области (г) дефекта

В первой серии экспериментов (рис. 4, а) производился расчет местоположения дефекта относительно ПЭП по измеряемому времени

распространения отраженной от дефекта волны Рэлея ^ и значению ее фазовой скорости уд по формуле:

= (1)

где ¿1 - расстояние от области возбуждения ультразвуковых волн до детектора.

Также построен график соответствия глубины дефектов и амплитуды сигнала отраженных волн Рэлея при их возбуждении на одном и том же расстоянии ¿1 (рис. 5), который можно использовать в качестве номограммы для определения глубины контролируемого дефекта.

Во второй серии экспериментов (рис. 4, б) измерялись положение на временной диаграмме сигнала волны Рэлея, трансформировавшейся на дефекте

1}£1=ЗД5 мм

2)1.1 =3.£>0 мм

3)11=4,40 мм

4) £1=5.15 мм

5)/.1=<5,13 мм

1.2 1.4 и. отн. ед.

Рис. 5. Номограмма для определения глубины дефектов способом отражения от них волн Рэлея

из продольной ОАВ (рис. 6, а), и амплитуда продольной ОАВ, прошедшей через дефект с дифракцией (рис. 6, б).

£7^=18

1) ¿/=0,20мм

2) (¡=0,50 мм 5'?»= 13 3) ¿=0,65 мм

-10 4) ¿=0,80 мм

5)^=1.00 мм

6) ¿=1,50 мм 5 7) ¿=2.00 мм

3 ¿.з.мы

Рис. 6. Временная диаграмма сигналов акустических волн, детектируемых во второй серии экспериментов (а), и зависимость амплитуды продольной ОАВ, прошедшей через дефект с дифракцией на дефекте, от расстояния ПЭП до дефекта ¡.г (б): 1 -сигнал продольной ОАВ, прошедшей через дефект; 2 - сигнал поперечной ОАВ, прошедшей через дефект; 3 - сигнал рэлеевской волны, трансформировавшееся из продольной ОАВ на дефекте; 4 - сигнал волны Рэлея, прошедшей через дефект

При известном расстоянии Ц, разделяющем источник и детектор, по положению на временной оси сигнала трансформировавшейся рэлеевской волны Гз можно определить расстояния Ьг и ¿3 (рис. 4, б), решив систему уравнений:

■ V, Уд (2)

^2 = А»

где ^ - фазовая скорость продольной ОАВ; vR - фазовая скорость волны Рэлея. По положениям максимумов, обусловленных дифракцией продольной ОАВ на дефектах различной глубины, можно построить номограмму, которая в дальнейшем может быть использована для определения глубины дефектов на основе исследованных в данной серии экспериментов явлений.

В третьей серии экспериментов измерялись амплитуда сигнала и время распространения волны Рэлея, прошедшей через дефект. При положении лазерного пучка в области дефекта (рис. 4, г), а также при выходе из данной области в сторону увеличения расстояния Ьг наблюдается резкое затухание амплитуды сигнала волны Рэлея (в точках 1 и 4 на рис. 7, а), что позволяет определить начало и конец дефекта и его ширину.

Первое и второе скачкообразные изменения времени прохождения рэлеевской волны Дг (рис. 7, б) соответствуют изменению длины его акустического хода (показан пунктирными стрелками на рис. 4, в и г) при попадании остросфокусированного лазерного пучка из области без дефекта

непосредственно в область дефекта. Ширина дефекта и> соответствует расстоянию между двумя скачкообразными изменениями времени прохождения волны Рэлея, а глубина дефекта (1 рассчитывается по формуле:

«/ = у„-Д*. (3)

Г, МКС

0,9-1 0.80,70,6610,50,40.3-

о,:-0.10-

А/| .... 1

* - - -1 I

XV

0,2 0,4

£», мм

0 0,2 0,4 0,6 0.8 1,0 1.2 1,4 11, мм

Рис. 7. Зависимость амплитуды сигнала волны Рэлея (а) и времени прохождения волны Рэлея (б) от расстояния ПЭП до дефекта ¿.2

Также проведена оценка методических погрешностей при определении местоположения дефектов, приведены значения коэффициентов корреляции времени прохождения акустических волн, взаимодействующих с дефектами, с расстоянием между источником и детектором, и коэффициента корреляции размеров дефектов с измеренными значениями времени прохождения волн Рэлея. Суммарная погрешность определения местоположения дефекта с учетом инструментальных и методических погрешностей составляет Аизм. = 9,13-Ю"6 м.

В четвертой главе дана оценка применимости разработанных способов контроля поверхностных дефектов и описан разработанный комплексный метод лазерно-акустического контроля поверхностей металлических и металлизированных изделий, позволяющий исключить все возможные мертвые зоны, неконтролируемые в полной мере разработанными способами в отдельности.

Для способа контроля на основе детектирования сигнала отраженной от дефекта волны Рэлея мертвой зоной является область с расстоянием Ц между областью генерации ультразвуковых волн и детектором (рис. 4, а), при этом преимущество его заключается в возможности контроля области вблизи края сканируемой поверхности. Для способа обнаружения дефектов на основе явлений дифракции продольной ОАВ на дефекте и частичной трансформации ее энергии в энергию волны Рэлея, распространяющейся от дефекта до детектора, мертвой зоной является область вне положения сканирующей системы, при этом данным способом возможен контроль дефектов, расположенных между областью генерации ультразвуковых волн и детектором (рис. 4, б). Способ, основанный на изменении акустического хода рэлеевской волны в зависимости от области ее возбуждения (вблизи или непосредственно в области дефекта), благодаря возможности острой фокусировки лазерного пучка в полоску с шириной, меньшей ширины дефекта, позволяет с наибольшей

точностью (до 0,5 мкм) определять местоположение и размеры поверхностных дефектов. При этом, поскольку сканирование производится также одновременным перемещением лазерного пучка и детектора с сохранением расстояния Ь\ между ними постоянным, мертвой зоной для реализуемого способа контроля дефектов является одна из областей вблизи края контролируемой поверхности (к которой обращен ПЭП).

Исходя из вышесказанного, целесообразным является проведение сканирования поверхности ОК на основе комплексного метода, объединяющего все разработанные способы обнаружения дефектов и свободного от мертвых зон.

1. Вначале сканирующая система устанавливается в положение вблизи края поверхности (рис. 8, а) и контролю подлежит область с расстоянием Ц способом на основе отражения рэлеевских волн от дефекта. При этом ПЭП

является неподвижным. Данный этап сканирования позволяет определить возможное наличие в данной области дефектов, их положение и глубину.

2. Далее при отсутствии дефекта в просканированной области ПЭП перемещается в сторону ближе к краю поверхности (рис. 8, б), тем самым исключается возможность нахождения дефекта непосредственно под детектором при начальном положении сканирующей системы.

3. При измененном расстоянии от ПЭП до края контролируемой поверхности и расстоянии от области детектора до области генерации ультразвуковых волн (рис. 7, б) способом на основе явлений прохождения продольной ОАВ через дефект сканируется поверхность с одновременным перемещением лазерного источника и ПЭП. Сканирование данным способом производится до преодоления детектором расстояния от начального его положения, что позволяет проконтролировать поверхность между детектором и областью генерации ультразвуковых волн.

может быть осуществлено лишь

Рис. 8. Схема сканирования комплексным лазерно-акустическим методом: а - контроль мертвой зоны вблизи края ОК способом на основе отражения волн Рэлея от дефекта; б - контроль мертвой зоны между областью генерации ультразвуковых волн и областью детектором способом на основе прохождения продольной ОАВ через дефект; в - сканирование оставшейся области поверхности способом на основе прохождения волн Рэлея через дефект

4. Дальнейшее сканирование применением способа на основе прохождения волн Рэлея через дефект,

обладающего наибольшей точностью, вплоть до достижения лазерным пучком следующего края поверхности.

Все этапы сканирования поверхности OK предлагаемым методом включают определение наличия дефектов, определение их местоположения и размеров.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы.

¡.Разработано и создано устройство лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов металлических и металлизированных изделий.

2. На основе проведенных экспериментов по возбуждению и детектированию ультразвуковых волн разработана оптимальная методика сканирования поверхностей изделий.

3. Разработаны программа, управляющая системами перемещения объекта контроля, калибровки акустического сигнала и синхронизации осциллографа, и программа сбора и обработки данных о сигналах акустических волн.

4. В ходе проведенных исследований обнаружена трансформация на дефекте продольной объемной акустической волны в волну Рэлея.

5. Обнаружено изменение акустического хода волны Рэлея, распространяющейся через дефект.

6. В результате исследования эффектов взаимодействия рэлеевских и объемных акустических волн с поверхностными дефектами установлены и измерены их временные и амплитудные характеристики, позволяющие определять местоположение и размеры поверхностных дефектов, на основе чего разработаны три способа контроля.

7. Предложен комплексный метод контроля дефектов, состоящий из этапов сканирования различных областей поверхности всеми тремя разработанными способами, позволяющий исключить мертвые зоны, возникновение которых возможно при контроле данными способами в отдельности.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях.

1. Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов A.A. Разработка метода неразрушающей ультразвуковой дефектоскопии посредством лазерной генерации объемных и поверхностных акустических волн // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 9-10. С. 92-97.

2. Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Петрушенко ЮЛ, Хасанов A.A. Лазерно-акустический метод контроля дефектов в металлах и металлизированных покрытиях диэлектриков // Дефектоскопия. 2011. № 2. С. 40-44.

3. Голенищев-Кутузов В.А., Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов A.A. Определение размеров приповерхностных дефектов теневым методом лазерно-акустической дефектоскопии // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. № 5-6. С. 103-108.

4. Хасанов A.A. Лазерно-акустический способ контроля качества наноразмерных материалов и соединений // Сборник материалов докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения».

2009. Т. 1. Казань: КГЭУ, 2009. С. 199-200.

5. Хасанов A.A. Разработка метода ультразвуковой дефектоскопии лазерным возбуждением акустических волн // Сборник материалов докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения».

2010. Т. 1. Казань: КГЭУ, 2010. С. 201.

6. Хасанов A.A. Лазерно-акустический способ контроля качества материалов посредством генерации объемных и поверхностных акустических волн // Сборник материалов XVIII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». 2010. Т. 5. Казань: КНИТУ-КАИ, 2010. С. 353-354.

7. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Лазерно-акустический контроль поверхностей металлов методом трансформации акустических волн на приповерхностных дефектах // Сборник материалов докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения».

2011. Т. 1. Казань: КГЭУ, 2011.С. 187-188.

8. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Применение явления трансформации ультразвуковых волн в лазерно-акустической дефектоскопии // Сборник материалов XIX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». 2011. Т. 4. Казань: КНИТУ-КАИ, 2011. С. 371-373.

9. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов A.A. Акустическая диагностика металлических изделий с помощью трансформации ультразвуковых волн на дефектах // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)». 2011. Т. 3. Иваново: ИГЭУ, 2011. С. 6-8.

10. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов A.A. Устройство оптоакустической дефектоскопии на основе лазерной генерации объемных и рэлеевских волн // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, системы и технологии». 2011. Томск: НИ ТПУ, 2011. С. 109-111.

11. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Бесконтактный оптоакустический контроль поверхностных дефектов в твердых материалах // Сборник материалов докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». 2012. Т. 1. Казань: КГЭУ, 2012. С. 216.

Подписано к печати 22.04.2013 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,0 Усл. печ. л. 0,94 Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз._Заказ №4611_

Издательство КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД И УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЯХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

На правах рукописи

Хасанов Алмаз Асхатович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, доцент Калимуллин Рустем Ирекович

Казань - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ...............................................................4

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ

АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ.......................................13

1.1. Критерии классификации методов акустического контроля.............13

1.2. Классификация контактных методов акустического контроля..........16

1.3. Бесконтактные методы акустического контроля............................30

1.4. Выбор метода ультразвукового контроля....................................38

1.5. Выводы..............................................................................40

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ......41

2.1. Схема возбуждения и детектирования ультразвуковых волн............41

2.2. Система калибровки акустического сигнала................................46

2.3. Система синхронизации осциллографа.......................................49

2.4. Система перемещения объекта контроля....................................51

2.5. Система управления, сбора и обработки данных..........................55

2.5.1. Программа системы сбора и обработки данных...................56

2.5.2. Программа управления шаговым двигателем и синхронизации цифрового генератора..................................................62

2.6. Разработка оптимальной методики возбуждения и детектирования акустических волн.....................................................67

2.7. Оценка метрологических характеристик устройства и измерений.. ..79

2.8. Результаты и выводы............................................................85

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ДЕФЕКТАМИ......................................86

3.1. Исследование отражения волны Рэлея от поверхностных дефектов...86

3.2. Исследование прохождения продольных объемных акустических волн через поверхностные дефекты......................................................93

3.3. Исследование прохождения волн Рэлея через поверхностные

дефекты.......................................................................................100

3.4. Результаты и выводы............................................................106

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.........................................................108

4.1. Оценка применимости разработанных методов лазерно-акустического контроля....................................................................108

4.2. Описание разработанного комплексного метода проведения лазерно-акустического контроля.........................................................115

4.3. Описание программы обработки данных для реализации комплексного лазерно-акустического контроля дефектов...........................124

4.4. Результаты и выводы..........................................•...................130

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.............................................131

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА..................................132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................134

Приложения

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ОАВ - объемная акустическая волна

ОК - объект контроля

ПАВ - поверхностная акустическая волна

ПК - персональный компьютер

ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь

ЭМА - электромагнитно-акустический

ЭМАП - электромагнитно-акустический преобразователь

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Методы неразрушающего контроля активно используются на стадии выходного контроля изготовленных материалов, заготовок и изделий. Надежность и устойчивость к внешним воздействиям изделий машиностроения, авиастроения, свойства контактов в электронике во многом определяются качеством поверхностей материалов, а также нанесенных на них проводящих и диэлектрических слоев. При этом разновидности размещения напылений или слоев с каждым годом увеличиваются: металл на металле, металл на диэлектрике, диэлектрик на металле и т.д.

Существует большое разнообразие методов неразрушающего контроля, среди которых особое место занимает акустическая дефектоскопия. В настоящее время акустические методы диагностики занимают около 30% от всей области неразрушающего контроля и представляют большой интерес в связи с развитием методов бесконтактного возбуждения и детектирования ультразвуковых волн. Данными методами возможно выявление поверхностных трещин, усталостей и других сосредоточений неоднородностей в металлах, композитах, пластмассах и керамике.

Наиболее распространенными (до 90% от всех видов акустического контроля) являются контактные эхо-методы и методы акустической эмиссии в связи с простотой их реализации. Несмотря на это обстоятельство, контактные методы диагностики являются ограниченными в применении, поскольку современные материалы и изделия с микронной и субмикронной структурой требуют проведения бесконтактного контроля с возможностью обнаружения местоположения и размеров дефектов порядка 0,1-100 мкм. Проведение контроля таких сложных структур и изделий малых размеров возбуждением ультразвуковых волн при непосредственном контакте излучателя с объектом

контроля или механическом воздействии на него неприемлемо. Поэтому разработка комплексных методов бесконтактного акустического контроля, основанных на различных видах взаимодействия ультразвуковых волн с дефектами, представляет собой задачу, определяющую качество дальнейшего выпуска новых материалов. Особое внимание следует обратить на методы бесконтактного лазерно-акустического контроля, позволяющие возбуждать не только поверхностные, но и объемные акустические волны, и тем самым дистанционно сканировать поверхности и внутреннюю структуру проводящих и диэлектрических материалов.

Вышесказанное обусловливает актуальность проблемы контроля поверхностей металлических и металлизированных покрытий диэлектрических изделий бесконтактными методами неразрушающего контроля. Разработка более точного комплексного метода контроля дефектов в металлических и металлизированных изделиях позволит решить задачу повышения качества выходного контроля в авиационной, машиностроительной и электронной промышленности.

Объект исследования: поверхностные дефекты в металлических и металлизированных изделиях в виде трещин и нарушений сплошности.

Предмет исследования: эффекты взаимодействия акустических волн с поверхностными дефектами и метод контроля на их основе.

Методы исследования: ультразвуковые методы неразрушающего контроля дефектов, вероятностно-статистические методы математической обработки результатов измерений.

Целью работы является разработка комплексного метода и устройства лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов, основанных на взаимодействии с ними рэлеевских и объемных акустических волн.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1. Выбор методик возбуждения и детектирования акустических волн, исследование их распространения в образцах без дефекта и с дефектом и

взаимодействия волн с поверхностными дефектами в виде трещин и нарушения сплошности.

2. Разработка прототипа устройства лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов.

3. Разработка программы сбора и обработки результатов детектируемых акустических сигналов и управления автоматизированной системой перемещения объекта контроля.

4. Разработка способов обнаружения местоположения и определения размеров поверхностных дефектов на основе измеряемых амплитудных и временных параметров акустических волн.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработан способ определения наличия и местоположения поверхностных дефектов на основе обнаруженного явления трансформации на дефекте объемной акустической волны в волну Рэлея.

2. Обнаружено и исследовано изменение акустического хода при возбуждении поверхностных акустических волн вблизи дефекта и непосредственно в области дефекта, позволяющее определять местоположение и размеры (ширину и глубину) поверхностных дефектов.

3. Разработан комплексный метод лазерно-акустического контроля на основе эффектов взаимодействия объемных и поверхностных акустических волн с поверхностными дефектами, позволяющий сканировать всю контролируемую поверхность с исключением возможных мертвых зон.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются многократными исследованиями; сходимостью полученных результатов по затуханию объемных и поверхностных акустических волн с расстоянием с результатами, полученными другими авторами; воспроизводимостью результатов на стандартных модельных образцах, используемых для калибровки аттестованных дефектоскопов, в различных условиях взаимного расположения

сканирующей системы и поверхностных дефектов; непротиворечивостью экспериментальных результатов известным теоретическим положениям.

Практическая значимость.

Разработанные метод и устройство позволяют контролировать дефекты в металлических и металлизированных диэлектрических изделиях. Устройство позволяет сканировать контролируемые поверхности методами отражения волн Рэлея от дефекта, их прохождения через дефект с изменением акустического хода и прохождения объемных акустических волн через дефект с трансформацией в волну Рэлея, определять местоположение и размеры поверхностных дефектов до 0,5 мкм.

Реализация результатов работы.

Разработанный метод был использован в ООО НПЦ «Поиск-МарГТУ» (г. Йошкар-Ола), о чем имеется соответствующй акт.

На защиту выносятся.

1. Структурная схема разработанного и созданного устройства лазерно-акустического контроля дефектов, включающего в себя аппаратно-программный блок, реализующий сбор и обработку данных об акустических волнах, взаимодействующих с поверхностными дефектами.

2. Способ определения местоположения и глубины дефекта, расположенного вне области сканирования, на основе измеренных амплитудных и временных параметров отраженных от него волн Рэлея.

3. Способ определения глубины и местоположения дефекта, расположенного в области сканирования, на основе обнаруженного эффекта трансформации на дефекте продольной объемной акустической волны в волну Рэлея.

4. Способ определения местоположения, глубины и ширины дефекта, расположенного в области генерации акустических волн, на основе обнаруженного изменения акустического хода волны Рэлея, распространяющейся через дефект.

5. Разработанный комплексный метод контроля на основе явлений отражения акустических волн от дефекта и их прохождения через дефект, позволяющий сканировать всю контролируемую поверхность с исключением возможных мертвых зон.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийском научном семинаре «Бесконтактное возбуждение и прием ультразвука в металлах и практические аспекты их использования в неразрушающем контроле», 2010, Екатеринбург, ИФМ УрО РАН;

• XV, XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009, 2011 и 2012, Москва, НИУ МЭИ;

• XVIII, XIX, XX Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения», 2010, 2011, 2012, Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ;

• IV, V, VI, VII Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения», 2009, 2010, 2011, 2012, Казань, КГЭУ;

• Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, системы и технологии». 2011, Томск, НИТПУ;

• Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)», 2011, Иваново, ИГЭУ.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта У.М.Н.И.К., государственный контракт № 9406 р /14181 от 1 июня 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и 8 в материалах всероссийских и международных научных конференций. Перечень авторских публикаций приведен в конце работы.

Личный вклад автора.

Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии соискателя. Автор принимал участие в разработке и создании устройства лазерно-акустического контроля, разработке комплексного метода лазерно-акустического контроля дефектов, обсуждении и обработке экспериментальных данных, написании статей и представлении докладов на конференциях. Соискателем лично разработаны и созданы электронные блоки усилителей сигналов, программное обеспечение для сбора и обработки данных об акустических сигналах и управления экспериментом, проведены все измерения.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования.

1. Разработанные способы определения местоположения и размеров поверхностных дефектов на основе явления трансформации на дефекте объемной акустической волны в рэлеевскую и на основе изменения акустического хода рэлеевской волны при ее распространении через дефект соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» паспорта специальности.

2. Разработка и создание устройства лазерно-акустического контроля металлических изделий и металлизированных покрытий диэлектриков соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и

систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности.

3. Разработка программы сбора и обработки данных об акустических сигналах соответствует п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 143 страницы, включая 90 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения. Библиографический список содержит 94 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава посвящена обзору и сравнительному анализу существующих методов акустического контроля изделий. В заключении главы сделан вывод о целесообразности выбора метода лазерно-акустического контроля с применением импульсного лазерного источника для возбуждения и контактного ПЭП для детектирования акустических волн.

Во второй главе представлена структурная схема разработанного и созданного устройства лазерно-акустического контроля дефектов, описана аппаратно-программная реализация узлов и блоков, приведены результаты экспериментов по возбуждению и детектированию ультразвуковых волн, проведена оценка и расчет инструментальных погрешностей.

В третьей главе были проведены эксперименты по исследованию взаимодействия генерируемых ультразвуковых волн с поверхностными дефектами различных размеров. По сериям проведенных экспериментов

исследованы явления отражения волны Рэлея от дефектов и прохождения через них с изменением длины акустического хода, и прохождения объемной акустической волны через дефект с трансформацией в волну Рэлея. В заключении главы сделан вывод о возможности определения местоположения и размеров дефектов по измеренным амплитудным и временным параметрам взаимодействующими с ними акустических волн.

В четвертой главе дана оценка применимости разработанных способов контроля поверхностных дефектов и предложен комплексный метод лазерно-акустического контроля поверхностей металлических и металлизированных изделий, позволяющая исключить все возможные мертвые зоны, не контролируемые в полной мере разработанными способами в отдельности.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Р.И. Калимуллину за полезные консультации в ходе выполнения работы; С.А. Мигачеву за помощь в изготовлении образцов с искусственно нанесенными поверхностными дефектами, М.Ф. Садыкову за помощь в разработке программы сбора и обработки данных, Н.И. Сушенцову за напыление металлизированных покрытий на образцах.

Стандарт