Введение к работе
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 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:
-
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.
-
Разработка прототипа устройства лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов.
-
Разработка программы сбора и обработки результатов детектируемых акустических сигналов и управления автоматизированной системой перемещения объекта контроля.
-
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:
-
Разработан способ определения наличия и местоположения поверхностных дефектов на основе обнаруженного явления трансформации на дефекте объемной акустической волны в волну Рэлея.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Способ определения местоположения и глубины дефекта, расположенного вне области сканирования, на основе измеренных амплитудных и временных параметров отраженных от него волн Рэлея.
-
Способ определения местоположения и глубины дефекта, расположенного в области сканирования, на основе обнаруженного эффекта трансформации на дефекте продольной объемной акустической волны в волну Рэлея.
-
Способ определения местоположения, глубины и ширины дефекта, расположенного в области генерации акустических волн, на основе обнаруженного изменения акустического хода волны Рэлея, распространяющейся через дефект.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
