Патент на изобретение №2262694

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЗЕРНА МАТЕРИАЛА ТОНКОЛИСТОВОГО ПРОКАТА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА

(57) Реферат:

Использование: для контроля среднего размера зерна материала тонколистового проката с помощью ультразвука. Сущность: заключается в том, что в контролируемом листовом прокате с помощью струйных акустических преобразователей возбуждают выбранную моду (а или s) волны Лэмба сначала на частоте f, затем на частоте f_j. Оси струйных акустических преобразователей ориентированы под углами соответственно и _j от нормали к плоскости листа. Этими же преобразователями принимают эхо-сигналы, отраженные от кромки листа и прошедшие в нем расстояние l и l_j, измеряют амплитуды этих импульсов и определяют их отношение. Причем частоты f и f_j, а также расстояния от кромки листа до места падения пучка продольных волн на поверхность листа l и l_j соотносятся следующим образом f_j=fn, l_j=l/n, где n>1, углы и _j определяют по дисперсионным кривым по заданной толщине h листа. С помощью измеренных величин определяют по соответствующей математической формуле средний размер зерна. Технический результат: разработка способа контроля среднего размера зерна материала движущегося тонколистового проката, для которого Н<С_la/2, где Н – толщина листа, _a – длительность акустического импульса, C_l – скорость продольных волн в материале листа. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к методам исследования внутреннего строения материалов с помощью ультразвуковых волн. Главным образом оно может быть использовано для контроля структуры материала тонколистового металлопроката в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

В промышленности для определения структуры материала широко используют методы металлографического анализа [Шулаев И.Л. Контроль в производстве черных металлов. М.: Металлургия, 1978], заключающиеся в измерении размеров зерен материала, видимых визуально или в микроскоп на шлифованной, полированной и протравленной кислотами поверхности образцов, вырезанных из соответствующих участков изделий. Недостатком такого способа является трудоемкость измерений и определение размеров зерна только поверхностных слоев образца.

Известен способ контроля среднего размера зерна ультразвуком, основанный на измерении структурных коэффициентов [Химченко Н.В. Ультразвуковой структурный анализ металлических материалов и изделий. М.: Машиностроение, 1976, с.17]. Под структурным коэффициентом образца понимается отношение амплитуд донных сигналов А_j при контроле эхо-методом К_j=А_j/А, измеренных на частоте f_j и частоте fj. Сравнение структурных коэффициентов на эталонных образцах с известной структурой, определенной методом металлографического анализа, и образцах материала такой же толщины позволяет при равенстве структурных коэффициентов определить средний размер зерна интегрально по толщине контролируемого материала.

Для реализации известного способа в образце материала контролируемого изделия, находящегося в жидкости, с помощью излучающего пьезоэлектрического преобразователя возбуждают последовательно на двух частотах f и 3f импульсы упругих волн. Приемный преобразователь, расположенный с противоположной стороны изделия, принимает первый и второй прошедшие импульсы. Измеряя амплитуду первого прошедшего импульса на частоте 3f, амплитуду второго прошедшего импульса на частоте f, а также амплитуду сигнала, прошедшего через жидкость на частотах f и 3f, по формуле определяют размер зерна материала изделия.

Известный способ измерения среднего размера зерна материала листового проката может использоваться, если толщина листа Н>С_lа/2, где _a – длительность акустического импульса, С_l – скорость продольных волн в материале листа.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка способа контроля среднего размера зерна материала движущегося тонколистового проката, для которого Н<С_la/2.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном способе, в листовом прокате возбуждают импульсы упругих волн с помощью пьезоэлектрических преобразователей и жидкостного акустического контакта на двух частотах f и f_j, принимают прошедшие через контролируемые участки листа импульсы, измеряют амплитуды этих импульсов и определяют их отношения. Но в отличие от известного способа в листе возбуждают выбранную моду (а или s) волны Лэмба, для возбуждения используют струйные акустические преобразователи, оси которых ориентированы под углами и _j от нормали к плоскости листа, принимают этими же преобразователями эхо-сигналы, отраженные от торца листа и прошедшие в нем расстояние l и l_j, причем устанавливают f_j=fn, l_j=l/n, где n>1, а углы и _j определяют по дисперсионным кривым для заданного материала листа и его толщины [1], а средний размер зерна определяют по формуле:

где U(nf) и U(f) – амплитуды сигналов, отраженных от кромки листа на частотах f_j=nf и f соответственно;

K_U(nf) и K_U(f) – коэффициенты двойного электромеханического преобразования электрического напряжения в упругое смещение продольной волны в жидкости и обратно на частотах f и f_j=nf;

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие преобразование продольной волны в жидкости в выбранную моду нормальной волны в листе на частотах f и f_j=nf;

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие ослабление данной моды при ее распространении в листе до торца листа и обратно на частотах f и nf;

R₀(nf) и R₀(f) – коэффициенты, учитывающие отражение звука от торца листа на частотах f и f_j=nf;

l – расстояние от кромки листа до места падения пучка продольных волн частоты f на его поверхность.

Амплитуды отраженных от кромки листа сигналов измеряют на частотах f и f_j=nf и на расстояниях l и l_j=l/n от места падения пучка продольных волн на лист. Только при этих условиях отношение амплитуд принятых сигналов оказывается зависимым от коэффициента рассеяния звука, определяемого средним размером зерна, и независимым от поглощения звука в материале.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема измерения и на фиг.2 – временные диаграммы.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Синхронизатор 1 одновременно запускает генераторы 2 и 3 высокочастотных электрических колебаний, которые одновременно возбуждают пьезоэлектрические преобразователи 4 и 5, расположенные в струеобразующих устройствах на частотах f и f_j=fn (n>1) соответственно. Пьезоэлектрические преобразователи излучают импульсы продольных волн на частотах f и f_j=fn, которые распространяются в струйных волноводах и падают на поверхность движущегося тонколистового проката. Углы наклона струйных волноводов и _j определяют по дисперсионным кривым фазовых скоростей волн Лэмба [1] для данного материала листа и его толщины h таким образом, чтобы в листе возбуждалась одна и та же мода (а или s) волны Лэмба. Эти волны распространяются в противоположных направлениях, отражаются от кромок обрезного листа и принимаются теми же преобразователями. Расстояния от места падения звуковых пучков на лист до их кромок устанавливают равным l и l_j=1/n соответственно. Принятые сигналы поступают на широкополосный усилитель 6, усиливаются, детектируются и поступают в регистратор 7, с помощью которого измеряется амплитуда принятых импульсов U и U_j.

Амплитуды регистрируемых сигналов в соответствии с уравнением акустического тракта [2] можно записать в виде:

где K_U(nf) и K_U(f) – коэффициенты двойного электромеханического преобразования электрического напряжения в упругое смещение продольной волны в жидкости и обратно на частотах f и f_j=nf;

U_Г(f)=U_Г(nf) – амплитуда возбуждающего электрического напряжения, подаваемого на преобразователи от генераторов;

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие преобразование продольной волны в жидкости в выбранную моду нормальной волны в листе на частотах f и f_j=nf;

р=0, 1, 2_… – параметр волны Лэмба;

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие ослабление данной моды при ее распространении в листе до кромки листа и обратно на частотах f и nf;

R₀(nf) и R₀(f) – коэффициенты, учитывающие отражение звука от торца листа на частотах f и f_j=nf.

Коэффициент двойного электромеханического преобразования полуволновой пластины, нагруженной на демпфер и воду, с учетом [2, 3] можно представить в виде:

где

е₃₃, e^u ₃₃ и ² ₃₃ – пьезопостоянная, диэлектрическая проницаемость при постоянной деформации и квадрат коэффициента электромеханической связи пьезокерамики; _ik=z_i/z_k; z_i – удельное акустическое сопротивление; i=0, 1, 3, причем индекс 0 соответствует демпферу, 1 – пьезокерамике, 3 – жидкости; С_П=e^u ₃₃La/d – физическая емкость пьезопластины; L, a, d – длина, ширина и толщина пьезопластины; С_K – емкость соединительного кабеля; R – эквивалентное сопротивление колебательного контура на резонансе.

Эффективность преобразования продольных волн в жидкости в нормальную волну в листе и обратно _р подробно исследовано в [4].

Показано, что

где L – ширина пьезопластины в плоскости падения пучка, _L – коэффициент затухания, обусловленный излучением энергии волны Лэмба в жидкость [5], – угол наклона ультразвукового пучка, соответствующий наиболее эффективному возбуждению заданной моды нормальной волны, причем

c₀ и c_L – скорость продольной волны в жидкости и фазовая скорость волны в листе из заданного материала, определяемая по дисперсионным кривым фазовой скорости для частот f и f_j=nf и толщины листа h.

Ослабление _p(f) волн Лэмба в листе происходит за счет действия трех основных механизмов: дисперсионных искажений ₁(f), дифракционного расхождения звукового пучка ₂(f) и затухания волны за счет поглощения и рассеяния ₃(f). В результате общее ослабление описывается произведением указанных коэффициентов:

Общее ослабление нормальной волны в акустическом тракте дефектоскопа на частоте f c учетом [3]:

где _o(f)=8²²Ф(fh);

_{s, a} – коэффициент затухания звука на частоте f; c_g – групповая скорость нормальной волны, определяемая по дисперсионным кривым групповой скорости [6]; c_t – скорость поперечной волны в материале изделия; n₀ – число периодов высокочастотного заполнения в импульсе на уровне 0.5 от максимума; l – расстояние от места падения звукового пучка на лист до его кромки.

В работе [7] показано, что коэффициент затухания волн Лэмба _{s, a} в листе со свободными границами является комбинацией коэффициентов затухания продольных _l и поперечных _t волн в материале листа:

где A_{s, a} и B_{s, a} – частотно зависимые коэффициенты симметричных s и антисимметричных а мод. Результаты расчетов, выполненных в [7] показали, что в области fh>4 МГц·мм коэффициенты для нулевых мод волн Лэмба являются постоянными, причем В₀=1, А₀=0.2. Значения коэффициентов затухания объемных (продольных и поперечных) волн в стали можно оценить по эмпирическим соотношениям [2]:

где f – частота, МГц; – средняя величина зерна материала листа, мм.

Таким образом, для нулевых мод волн Лэмба в стальном листе с fh>4 коэффициент затухания является постоянной величиной

зависящей только от частоты и среднего размера зерна.

Коэффициенты отражения волн Лэмба от торца стального листа определены в работе [8].

Отношение амплитуд измеренных сигналов с учетом (2)-(11) дает:

Отсюда средний размер зерна материала можно определить по формуле:

Рассмотрение предлагаемого способа показывает, что он позволяет определять средний размер зерна в тонколистовом прокате.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ермолов И.Н., Алешин Н.Л., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. – М.: Высшая школа, 1991.

2. А.С. Голубев, Д.Д. Добротин, С.К. Паврос. Ультразвуковая аппаратура для автоматизированного контроля тонколистового проката, – Дефектоскопия, 1993 №8, с.46-52.

3. Меркулов Л.Г., Яблоник Л.М. Работа демпфированного пьезопреобразователя при наличии нескольких промежуточных слоев. – Акустический журнал, 1963, т.9, вып.4, с.449-459.

4. Никифоров Л.А. Исследование возбуждения и приема волн Рэлея и Лэмба клиновыми преобразователями. Кандидатская диссертация. – ЛЭТИ, 1972.

5. Меркулов Л.Г. Затухание нормальных волн в пластинах, находящихся в жидкостях. Акустический журнал, 1964, т.10, вып.2, с.206-213.

6. Карташов В.К. Об определении фазовых и групповых скоростей нормальных волн. Дефектоскопия, 1967, №2, с.9-13.

7. Жарков К.В., Меркулов Л.Г., Пигулевский Е.Д. Затухание нормальных волн в пластине со свободными границами. – Акустический журнал, 1964, 10 вып.2, с.163-167.

8. Меркулов Л.Г., Харитонов А.В., Чмарькова М.И. Отражение нормальных волн в пластинах от искусственных дефектов и свободного края. – Дефектоскопия, 1967 №8, с.41-48.

Формула изобретения

Способ измерения среднего размера зерна материала тонколистового проката путем возбуждения импульсов упругих волн в изделии с помощью пьезоэлектрических преобразователей и жидкостного акустического контакта на двух частотах f и f_j, приеме прошедших через контролируемые участки листа импульсов на частотах f и f_j, измерении амплитуд этих импульсов и определении их отношения, отличающийся тем, что в листе возбуждают выбранную моду (а или s) волны Лэмба, для возбуждения используют струйные акустические преобразователи, оси которых ориентированы под углами и _j от нормали к плоскости листа, принимают этими же преобразователями эхо-сигналы, отраженные от кромки листа и прошедшие в нем фиксированное расстояние l и l_j, причем устанавливают f_j=fn, l_j=l/n, где n>1, углы и _j определяют по дисперсионным кривым по заданной толщине h листа, а средний размер зерна определяют по формуле:

где U(nf) и U(f) – амплитуды сигналов, отраженных от кромки листа на частотах f_j=fn и f;

K_U(nf) и К_U(f) – коэффициенты двойного электромеханического преобразования электрического напряжения в упругое смещение продольной волны в жидкости и обратно на частотах f и f_j=nf;

l – расстояние от кромки листа до места падения пучка продольных волн частоты f на его поверхность;

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие преобразование продольной волны в жидкости в выбранную моду нормальной волны в листе на частотах f и f_j=nf,

_p(nf) и _p(f) – коэффициенты, учитывающие ослабление данной моды при ее распространении в листе до кромки листа и обратно на частотах f и nf;

R₀(nf) и R₀(f) – коэффициенты, учитывающие отражение звука от торца листа на частотах f и f_j=nf.

РИСУНКИ