Ультразвуковая дефектоскопия электретов теневым методом

Саратовский Государственный Технический Университет

кафедра “Электронное машиностроение”

Курсовая работа

по методам анализа материалов

Ультразвуковая дефектоскопия электретов теневым методом

Выполнил: студент группы ЭМС-31

ETNO

Проверил: ассистент Семенов С.В.

Саратов 2004

Содержание

Стр.

Введение

1. Электреты. Их свойства и применение

2. Акустический метод дефектоскопии

2.1. Классификация видов акустической дефектоскопии

2.2. Методы прохождения

3. Ультразвуковая дефектоскопия теневым методом

3.1. Физическая сущность

3.2. Оборудование

3.3 Техника проведения

4. Технологический процесс ультразвуковой дефектоскопии

теневым методом

Заключение

Список использованных источников

Введение.

При проведении мониторинга технического состояния сложных систем и агрегатов одной из наиболее актуальных является задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природы и организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов при эксплуатации. Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методов неразрушающего контроля.

Применение каждого из методов в каждом конкретном случае характеризуется вероятностью выявления дефектов. На вероятность выявления дефектов влияют чувствительность метода, а также условия проведения процедуры контроля. Определение вероятности выявления дефектов является достаточно сложной задачей, которая еще более усложняется, если для повышения достоверности определения дефектов приходится комбинировать методы контроля. Комбинирование методов подразумевает не только использование нескольких методов, но и чередование их в определенной последовательности (технологии). Вместе с тем, стоимость применения метода контроля или их совокупности должна быть по возможности ниже. Таким образом, выбор стратегии применения методов контроля основывается на стремлении, с одной стороны, повысить вероятность выявления дефектов и, с другой стороны, снизить различные технико-экономические затраты на проведение контроля.

Дефектоскопия (от дефект и ...скопия), обобщающее название неразрушающих методов контроля материалов (изделий); используется для обнаружения нарушений сплошности или однородности макроструктуры, отклонений химического состава и других целей. Наиболее распространены ультразвуковая, рентгено- и гамма-дефектоскопия, ИК, люминесцентная, капиллярная, магнитная, термо- и трибоэлектрическая дефектоскопия.

Основными областями применения ультразвука в приборостроении являются ультразвуковая обработка, ультразвуковая дефектоскопия и оптико-акустическая информатика. Ультразвуковая обработка представляет собой совокупность способов обработки изделий из металлов, полупроводников, керамики и других материалов с использованием энергии ультразвуковых колебаний (УЗК). В производстве изделий электронной техники ультразвуковая обработка часто применяется в сочетании другими методами обработки для интенсификации реализуемых процессов: очистки, сварки, пайки, лужения деталей, химического и электрохимического травления и осаждения металлов, сушки, пропитки пористо-капиллярных материалов (например, секций электролитических конденсаторов).

Ультразвуковая дефектоскопия, группа методов дефектоскопии, в которых используют проникающую способность упругих волн ультразвукового диапазона частот (иногда звукового). Ультразвуковая дефектоскопия - один из наиболее универсальных способов неразрушающего контроля, методы которого позволяют обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты - трещины, раковины, расслоения в металлических и неметаллических материалах (в том числе сварных и паяных швах, клеёных многослойных конструкциях), определять зоны коррозии металлов, измерять толщину (резонансный метод).

Ультразвуковая дефектоскопия – это комплекс методов неразрушающего контроля, основанных на применении упругих волн ультразвукового диапазона.

1. Электреты. Их свойства и применение.

Электреты - диэлектрики, способные накапливать и длительно

сохранять электрический заряд или поляризацию.

Они могут создавать в окружающем пространстве электростатическое поле. Существует электрическое поле и внутри заряженного или поляризованного электрета. Отметим, что наличие в диэлектрике поля или поляризации в отсутствие внешнего электрического поля еще не является признаком электретного состояния. Действительно, они могут существовать в сегнетоэлектриках - веществах, обладающих спонтанной (самопроизвольной) поляризацией.

Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария и др. кристаллические вещества) по своим свойствам во многом аналогичны ферромагнетикам. В тех и других имеются области - домены, - где магнитные или дипольные электрические моменты ориентированы параллельно друг другу без всякого воздействия внешнего магнитного или электрического поля. При внесении в поле ферромагнетики намагничиваются, а сегнетоэлектрики приобретают поляризацию, на их гранях появляются связанные заряды, не исчезающие после выключения поля. Те и другие имеют точки Кюри и т.п.. Характерным свойствам сегнетоэлектриков и ферромагнетиков является то, что намагничение или спонтанная поляризация существует в них в состоянии термодинамического равновесия и может сохраняться сколь угодно долго, если внешние условия неизменны. При нагревании до точки Кюри спонтанная поляризация и намагничение исчезают, происходит фазовый переход, в результате которого сегнетоэлектрик становится обычным полярным диэлектриком, а ферромагнетик - парамагнетиком, при охлаждении происходит обратный фазовый переход, в результате которого восстанавливаются сегнето- или ферромагнитные свойства.

В отличие от сегнетоэлектриков, электрет с «замороженной» поляризацией является термодинамически неравновесным объектом. Его состояние неустойчиво, а нагревание ведет к быстрому необратимому разрушению поляризации диэлектрика. Неравновесность - основное свойство электретного состояния, каковы бы ни были конкретные механизмы его получения. Релаксация, переход в равновесное - неполяризованное, незаряженное состояние, характерна для любого электрета. Она является не только отличительным признаком электретов, но и причиной технических трудностей, с которыми сталкиваются производители электретных ЭАП, стимулом настойчивых поисков материалов, из которых можно изготовить «долгоживущие», стабильные электреты, у которых процесс релаксации протекает как можно медленнее.

Первые научные сведения об электретном состоянии есть в работах английского учёного С. Грея (1732 г.), М. Фарадея (1839 г.). Термин «электрет» впервые ввёл О. Хевисайд (1892 г.), а изучать это явление начал японский физик Егути в 1919 г.

Егути помещал расплавленный воск между двумя электродами, к которым прикладывалось высокое напряжение. После выдержки в электрическом поле воск охлаждался до отвердевания, после чего напряжение отключалось, а электроды отделялись от образца. На гранях воска, обращённых к электродам, был обнаружен электрический заряд, противоположный по знаку заряду на электродах. Его назвали гетерозарядом. (рис. 1).

Е0

Е

Рис. 1. Получения электрета по Егути: 1 – расплавленный воск в электрическом поле; 2 – готовый электрет. Е0 – «внешнее» электрическое поле, Е – электрическое поле электрета.

В 40-е гг. ХХ в. интерес к электретному эффекту вновь увеличился в связи с изобретением ксерографии – способа копирования документов методом электрографии. Для этого используют пластины, покрытые слоем полупроводника, который в темноте обладает высоким удельным сопротивлением, не отличаясь по существу от диэлектрика.

Подъём исследований по электретам начался в 60-е годы ХХ в. В 1962 г. создан первый электретный микрофон. Это был первый электроакустический преобразователь – устройство, преобразующее механические колебания акустических частот в электрический сигнал того же диапазона частот (микрофон), либо электрических колебаний звуковой частоты в механические колебания (телефон, громкоговоритель). Электретные микрофоны стали выпускать серийно. Позже появилисьэлектретные телефоны и динамики, акустические системы для воспроизведения звука. Практика опережала теорию, так как электретный эффект в полимерных диэлектриках был в то время еще недостаточно изучен.

Потребности производства, интерес ведущих фирм, выпускающих звукозаписывающую и звуковоспроизводящую аппаратуру стимулировали исследования ряда зарубежных ученых. В 60-70-е гг. появляются основополагающие работы Б.Гросса, Г.Сесслера, М.Перлмана, И. Ван Тюрнхаута. К.Икезаки, X. фон Зеггерна и мн. др. Стали вестись работы и в нашей стране. Появляются статьи и монографии А.Н.Губкина, Г.А.Лущейкина, О.А.Мяздрикова и В.Е.Манойлова, В.М.Фридкина, П.Н.Ковальского и А.Д.Шнейдера, Е.Т.Кулина и др.

В 70-80-е гг. складывается школа электретных исследований в ЛГПИ им. А.И.Герцена (В.Г.Бойцов с сотрудниками), МИЭМ (А.Н.Губкин с сотрудниками). В эти же годы исследования проводились также в ЛЭТИ (М.Ю.Волокобинский, В.Н.Таиров и др.), ЛПТИ (М.Э.Борисова, С.Н.Койков) и других вузах страны. Результаты внедрялись в производство электретных микрофонов на тульском предприятии «Октава».

Рост интереса к электретам связан с бурным развитием физики и химии полимеров. Практически все применяемые на практике электреты изготовляются из полимерных диэлектриков. Наиболее удачными оказались фторполимеры - политетрафторэтилен (ПТФЭ), сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом ЩТФЭ-ГФП). Изучается возможность использования в качестве материала для производства электретов полиолефинов, особенно полипропилена, который значительно дешевле фторполимеров. Ведется поиск других полимерных диэлектриков с более высокими электретными свойствами.

2. Акустический метод дефектоскопии.

Акустический метод дефектоскопии основан на свойстве звуковых волн направленно распространяться в средах и отражаться от границ сред или нарушений сплошности дефектов, обладающих акустическим сопротивлением.

Акустические волны могут отражаться, преломляться, поглощаться и рассеиваться от границ сред или нарушений сплошности, обладающих другим акустическим сопротивлением. Акустические методы дефектоскопии охватывают диапазон до 10 мГц. и подразделяются на: звуковые(до 10Гц), ультразвуковые(свыше 20 Гц).

2.1. Классификация видов акустической дефектоскопии

1). Использующие излучения и прием акустических колебаний и волн (активные методы)

а) Методы прохождения:

- теневой

- временной теневой

- велосимметричный

б) Методы отражения:

- эхо-метод

- эхо-зеркальный

- дельта-метод

- реверберационный

в) Методы свободных колебаний

- локальный

- интегральный

г) Методы вынужденных колебаний (резонансные)

- локальный

- интегральный

- акустико-топографический

2). Основанные или использующие только прием колебаний и волн

а) Метод акустической эмиссии

б) Вибрационно-диагностический метод

г) Шумо- диагностический метод

1. Ультразвуковая дефектоскопия теневым методом

В основе теневого метода лежит регистрация энергии ультразвука после прохождения через вещество. При наличии неоднородностей в исследуемом объекте образуются зоны своего рода звуковой тени, куда волны проникают только вследствие дифракции.

3.1. Физическая сущность

В теневом методе контроля излучающий и приемный искатели располагают с противоположных сторон контролируемого изделия (рис.2). Наличие дефекта фиксируется по ослаблению энергии УЗК, прошедших через контролируемое соединение. Чувствительность теневого метода значительно хуже, чем эхо-метода, что объясняется главным образом условиями приема УЗК. В теневом методе малые дефекты фиксируют на фоне сравнительно мощного прямого пучка УЗК, прошедшего через изделие. Есте­ственно, что при этом приходится загрублять чувствительность дефектоскопа по сравнению с аналогичными условиями контроля эхо-методом. По указанной причине теневой метод нашел сравнительно малое применение, хотя и с успехом используется, например, при контроле точечной сварки в процессе сварки, мно­гослойных клееных конструкций и т. п..

При зеркально-теневом методе (рис.3) дефект фиксируется по уменьшению интенсивности УЗК, прошедших через контро­лируемое соединение и отраженных от противоположной поверх­ности изделия. По чувствительности этот метод также уступает эхо-методу контроля.

Рис 2

Рис 3

1. Оборудование

Описанные методы контроля используют в разработанных установках типа УКТ (УКТ-1, УКТ-2, УКТ-2М), предназначен­ных для автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений трубопроводов в монтажных условиях.

Установка УКТ-1 (рис. 4) состоит из ультразвукового де­фектоскопа УДМ-1М (перестроенного на частоту 7 МГц), блока электроавтоматики и сканирующего устройства, навешиваемого на контролируемый трубопровод. После размещения сканирующего устройства на трубопроводе включается автомати­ческое перемещение иска­теля и осуществляется по­строчное (с шагом 1 мм) сканирование всего паяного соединения. Результаты кон­троля синхронно регистри-; руются на ленте из электро­термической бумаги в само­писце, также смонтирован­ном на сканирующем устрой­стве.

Установка УКТ-2 (рис. 5) - дальнейшее усо­вершенствование установки УКТ-1. Основное отличие ее - разделение механиче­ских блоков сканирования искателя и двигателя с само­писцем, что позволило резко уменьшить размеры скани­рующей головки и тем са­мым улучшить маневренность контроля в труднодоступных условиях. Механическое вра­щение с блока самописца на сканирующую головку пере­дается силовым гибким ва­лом длиной до 1 м. Это позволяет проводить контроль в особо трудных для доступа условиях, определяемых лишь возможно­стью работы оператора двумя руками. Установка комплек­туется девятью сменными сканирующими головками на трубо­проводы диаметрами 6—80 мм.

Установки УКТ-1 и УКТ-2 проходили лабораторные и промыш­ленные испытания и показали надежную выявляемость дефектов (непропаев) площадью более 3 мм².

Полученные результаты позволили внедрить установки УКТ для производственного контроля пайки и ввести ультразвуковой метод как основной вид неразрушающего контроля паяных сое­динений трубопроводов в монтажных условиях.

Рис. 5

/ — ультразвуковой дефектоскоп; 2 — блок электроавтоматики; 3 — блок самописца; 4 — сканирующая головка: 5 - силовой гибкий вал

Рис.4

/ — ультразвуковой дефектоскоп;

2 — ска­нирующее устройство; 3 — блок электро­автоматики

3.3 Техника проведения

Излучатель по средствам искательной головки направляет ультразвуковые колебания в образец. При отсутствии дефекта в приемник через образец проходит строго определенная мощность излучения. При наличии дефекта часть излучения поглощается дефектом и в приемник попадает меньшая мощность. В теневом методе применяется как непрерывное так и импульсное излучение

4. Технологический процесс ультразвуковой дефектоскопии теневым методом.

1. Подготовка эталонных образцов

   1. Нанесение контактной смазки

   2. Установка искательных головок

2. Исследование эталонных образцов

   1. Сканирование образца

   2. Очистка образца

3. Подготовка образца

   1. Внешний осмотр образца

   2. Очистка поверхности образца

   3. Определение участков сканирования

   4. Нанесение контактной смазки

   5. Установка искательных головок

4. Исследование образца

   1. Сканирование выбранных участков

   2. Очистка образца

5. Анализ результатов исследования

Заключение

В данной работе был рассмотрен теневой метод ультразвуковой дефектоскопии электретов, также было введено понятие электретов и разобраны их свойства. Мы рассмотрели типы оборудования, применяемого в ультразвуковой дефектоскопии, и дали его основные технические характеристики, а также области применения.

В результате проделанной работы было установлено, что чувствительность теневого метода значительно хуже чем других методов (эхо-метода), что объясняется главным образом условиями приема УЗК. В теневом методе малые дефекты фиксируют на фоне сравнительно мощного прямого пучка УЗК, прошедшего через изделие. Есте­ственно, что при этом приходится загрублять чувствительность дефектоскопа по сравнению с аналогичными условиями контроля эхо-методом. По указанной причине теневой метод нашел сравнительно малое применение. Но, несмотря на все выше сказанное, теневой метод с успехом используется в контроле точечной сварки и других процессах.

Список использованных источников

1. Губкин А.Н. Электреты.

2. Румянцев С.В. Неразрушающие методы контроля сварных соединений, М., 1976.

3. Лекции по методам анализа материалов Семенова С.В.