ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, заключающийся в том, что в исследуемый объект на нагруженном и ненагруженном участках или на ненагруженном аналоге исследуемого изделия вводят импульсы ультразвуковых колебаний, например продольных, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают их, а по сумме и разности определяют величину внутренних механических напряжений, отличающийся тем, что на тех же участках дополнительно вводят импульсы ультразвуковых колебаний другого типа, например поперечных, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, а величину механических напряжений рассчитывают по формуле



где f - частота ультразвука;

₁ и ₂ - акустоупругие коэффициенты для ультразвуковых колебаний первого и второго типов;

- отношение суммы и разности сигналов ультразвуковых колебаний первого и второго типов;

t₀₁ и t₀₂ - время пробега импульсов ультразвуковых колебаний первого и второго типов в ненагруженном материале.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединениях различных изделий ответственного назначения, в металле трубопроводов и других объектов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.

Известен ультразвуковой способ измерений внутренних напряжений в изделиях и материалах, основанный на измерении разности скоростей в напряженном и свободном состояниях исследуемого объекта путем измерения разности времен прохождения одного и того же пути в объекте в напряженном и свободном состояниях [1]

Недостатками известного способа являются необходимость использования сложной высокостабильной аппаратуры, способной измерять изменения времени до 10^-9 с; жесткие требования по условиям эксплуатации этой аппаратуры, существенно ограничивающие область применения этого способа, кроме того, способ предполагает наличие возможности полного снятия нагрузки с испытуемого изделия, что не всегда осуществимо.

Известен также ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог или в свободную зону исследуемого объекта, не испытывающую напряжений, вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, по сумме и разности определяют относительную разность скоростей УЗК в напряженном и свободном состояниях, по ней рассчитывают величину механических напряжений [2]

Недостатком этого способа (как и всех известных способов) является высокая погрешность результатов измерений в случае разнотолщинности нагруженного и свободного участков исследуемого объекта (или нагруженного объекта и его аналога).

Задачей изобретения является повышение точности и достоверности измерений механических напряжений в объектах ответственного назначения за счет исключения влияния разнотолщинности участков исследуемого объекта.

Для этого в способе ультразвукового измерения внутренних механических напряжений, заключающемся в том, что исследуемый объект на нагруженном и свободном участках (или нагруженный аналог исследуемого изделия) вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), например продольных, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают их, по сумме и разности определяют фазовый сдвиг между принятыми сигналами, прошедшими напряженный и свободный участки, по которому судят о величине внутренних механических напряжений, на тех же участках дополнительно вводят импульсы УЗК другого типа, например поперечных, проводят с принятыми сигналами аналогичные действия, а величину механических напряжений рассчитывают по формуле

, где f частота УЗК;

_{1 2}- акустоупругие коэффициенты для УЗК первого и второго типов (например, продольных и поперечных);

t₀₁, t₀₂ время пробега импульсов УЗК первого и второго типов в ненагруженном материале;

; - отношения суммы и разности сигналов УЗК первого и второго типов.

Сущность предлагаемого способа можно раскрыть следующими рассуждениями. Из основной зависимости, которая так или иначе лежит в основе всех времяскоростных способов, t где t время пробега импульсов УЗК; r путь импульсов в изделии; с скорость УЗК, следует

, (1) где индекс о обозначает параметры в напряженном состоянии.

Отсюда видно, что разнотолщинность (разница путей импульсов УЗК в нагруженном и свободном материалах) может дать значительную погрешность. Поскольку путь импульсов любых съемных типов УЗК может быть записан в виде

r , где - угол ввода УЗК;

n кратность отражений;

d толщина исследуемого объекта;

при любых и любых реально возможных углах ввода и (1) будет выглядеть следующим образом:



Возьмем для примера продольные L и поперечные Т УЗК, тогда



Вычитая из (2) (3) получим



Поскольку

_T, _L где _T и _L акустоупругие коэффициенты для поперечной и продольных волн, то

. (4)

Рассмотрим выражение

где =2arcctg разность фаз, учитывая, что t 2 f t, а t, получаем

или . (5)

Подставляя (5) с учетом типа УЗК в (4), получим окончательно



Можно использовать один тип УЗК, но вводить их необходимо под разными углами , при этом необходима более высокая точность измерения акустоупругих коэффициентов.

Таким образом, исключается погрешность измерения напряжения от разнотолщинности исследуемого изделия и образца-аналога. При этом сохраняются высокая точность измерений и простота аппаратуры для реализации способа и расширяется диапазон применения способа. В этом выражается технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого способа.

Предлагаемый способ реализуется с помощью серийного дефектоскопа следующим образом.

В зависимости от формы изделий и ориентации вектора напряжения в нем подбирают две пары серийных преобразователей с углом ввода, преобразователи должны обеспечить параллельность плоскости вектора смещения вводимых УЗ колебаний в исследуемом изделии плоскости вектора напряжения. В одном из приемных преобразователей путем несложной переделки необходимо обеспечить возможность переполюсовки электродов пьезопластины. Излучающие преобразователи подключают параллельно к генератору дефектоскопа и устанавливают на исследуемый объект в нагруженной и свободной его частях (например, один рядом с усилением сварного шва, а другой на расстоянии около 10b, где b ширина усиления шва). Затем, поочередно подключая прижимные преобразователи и устанавливая их на исследуемый объект, добиваются равного максимального значения амплитуд принимаемых сигналов и фиксируют положения всех преобразователей. Далее, соединяя параллельно приемные преобразователи, подключают их одновременно к приемному гнезду дефектоскопа и измеряют амплитуду суммарного сигнала А¹₊. Далее, проведя переполюсовку пьезопластины одного приемного преобразователя, измеряют амплитуду разностного сигнала А_-¹. Затем подбирают две пары преобразователей с углом ввода ₂ и, устанавливая их аналогичным образом в тех же местах, определяют А₊² и А_-². После этого по известным значениям акустоупругих коэффициентов рассчитывают величину .

Целесообразно иметь специальные акустические системы, построение которых однозначно определяется описанной последовательностью измерений.

В случаях, когда значения акустоупругих коэффициентов неизвестны, можно, используя испытательные машины, провести тарировку прибора и измерение акустоупругих коэффициентов.

Преимущество разработанного способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо специализированной дорогостоящей аппаратуры может использоваться серийная общедоступная аппаратура, благодаря тому, что разработанный способ позволяет увеличить допустимую погрешность измерений в 200 раз, не снижая при этом точность определения напряжения. Возможность же использования портативной аппаратуры позволяет, в свою очередь, проводить измерения в полевых и монтажных условиях, что раньше в ряде случаев было невозможно.