Есть в человеческой деятельности на первый взгляд простые потребности — проверять качество изделий. Эти потребности возникают, когда готовое изделие не берут для использования по разным причинам.
Контроль качества становится неотъемлемой частью производственного процесса, и его значение сложно переоценить. Каждая деталь, каждый компонент должны соответствовать строгим стандартам, чтобы конечный продукт радовал потребителя.
Причины отказа от изделий могут быть различными: от незначительных дефектов внешнего вида, до серьёзных нарушений технических характеристик. В любом случае, это сигнал для производителя о необходимости усиления контроля на производстве.
Система проверки включает в себя множество этапов: от входного контроля материалов до финальной проверки готового изделия. На каждом этапе специалисты применяют различные методы оценки качества, используя современное оборудование и испытательные стенды.
Современные технологии позволяют автоматизировать многие процессы контроля. Роботизированные комплексы способны проводить детальный анализ изделий с высокой точностью, выявляя даже микроскопические дефекты.
Человеческий фактор остаётся важным элементом системы контроля. Опытные специалисты могут заметить то, что ускользнёт от электронных глаз машин, опираясь на свой профессиональный опыт и интуицию.
Таким образом, контроль качества — это не просто формальность, а важный элемент, обеспечивающий доверие потребителей и репутацию производителя на рынке.
Существует отрасли, где широко используется ультразвук — в основном это металлические изделия. Ультразвук способен определять большое количество дефектов. Принцип работы ультразвукового контроля основан на способности высокочастотных волн проникать через материалы и отражаться от неоднородностей структуры. При встрече с дефектом волна меняет свою траекторию, что фиксируется специальным оборудованием. Области применения ультразвукового контроля чрезвычайно широки: Авиационная промышленность, судостроение, нефтегазовый сектор, энергетика, машиностроение, металлургия и др.
Преимущества метода:
- Неразрушающий характер контроля
- Высокая точность обнаружения дефектов
- Возможность проверки изделий сложной формы
- Относительная простота проведения исследований
- Безопасность для персонала
Виды дефектов, выявляемых ультразвуком:
- Трещины различного происхождения
- Поры и раковины
- Непровары сварных швов
- Инородные включения
- Расслоения материала
- Несплавления
Современное оборудование для ультразвукового контроля постоянно совершенствуется. Появились портативные приборы, компьютерные программы для обработки данных, автоматизированные комплексы для массового контроля изделий. Квалификация специалистов играет ключевую роль в эффективности ультразвукового контроля. Они должны уметь правильно настраивать оборудование, интерпретировать полученные данные и принимать обоснованные решения о качестве проверяемых изделий. В перспективе, развитие технологий ультразвукового контроля позволит ещё более расширить возможности метода и повысить точность обнаружения дефектов, что особенно важно для ответственных конструкций и изделий, работающих в сложных условиях эксплуатации.
Все было бы внешне хорошо, но в результате эксплуатации ультразвуковых дефектоскопов, выявляются некоторые нюансы.
Традиционный ультразвуковой излучатель акустического дефектоскопа состоит из следующих основных компонентов:
- Пьезоэлемент (активный элемент) — основной рабочий компонент, изготовленный из пьезокерамических материалов (титаната бария, цирконата свинца). Преобразует электрические импульсы в ультразвуковые колебания и наоборот.
- Демпфер — элемент с высоким акустическим сопротивлением, который:
Обеспечивает внутреннее затухание, направляет основную часть энергии в сторону прозвучивания, повышает разрешающую способность устройства - Протектор — защитный слой, обеспечивающий: равномерный контакт с поверхностью контроля, защиту пьезоэлемента от механических повреждений, стабильность акустического контакта
- Контактные элементы — электроды и выводы для подключения к дефектоскопу
- Корпус — конструктивная основа, объединяющая все компоненты и обеспечивающая: механическую защиту, правильную ориентацию элементов, герметичность конструкции
Все компоненты работают как единая система, где каждый элемент выполняет свою специфическую функцию для обеспечения эффективного преобразования и передачи ультразвуковых волн в контролируемый материал.
Обычно, на реальном производстве, поверхность сканируемого образца имеет шероховатости, которые существенно уменьшают проникновение в него ультразвука. Для повышения эффективности его ввода, используют механическую зачистку поверхности и иммерсионную жидкость. Жидкость заполняет все неровности поверхности. Она должна быть высокой плотности, т.к. иначе акустическая волна отразится обратно, что и происходит на самом деле, т.к. жидкость имеет плотность меньше, чем металл. В результате возникает местный резонанс в месте контакта. Преобразование приходящего сигнала испытывает те же проблемы, что вызывает искажения при визуализации сигнала.
При этом, зачистка поверхности и необходимость использования особой плотной жидкости (расходный материал), вызывает дополнительные временные и финансовые потери, да и место проведения диагностики не назовешь потом чистым. Особенно, когда диагностируется наклонная поверхность и жидкость должна непрерывно поступать из трубочки подлива. Здесь расходный материал будет в цене на один результат диагностики.
Но это годится только для простых объектов и поверхностей. А, как быть со сложными деталями, поверхностями с резьбой, как внутренней так и внешней, цилиндрическими малоразмерными деталями и др. Ведь ультразвук предполагает использование плоских волн., а здесь они буду совершенно другими. Усугубляет ситуацию работа диагноста еще и низкие температуры. В некоторых случаях, используют наклонное возбуждение акустических волн, практически вдоль поверхности объекта контроля, например, при диагностике швов. В этом случае возбуждаются несколько видов колебаний, основные моды- продольные и поперечные, имеющие разные скорости распространения. Это сказывается при интерпретации результатов диагностики, при визуальной оценке полученных сигналов. Другой немаловажный фактор, это управление излучателем в ручном режиме - человек его поворачивает в разные стороны и по сигнальным откликам делает заключение о наличие дефекта. Для работы необходим человек. Существуют сейчас и ультразвуковые сканеры на основе фазированных антенных решеток (ФАР), которые автоматически могут поворачивать луч. Такие системы громоздки и требуют, чаще всего, заранее подготовленные поверхности и более-менее плоские.
Однако, существует и другой метод диагностики, метод основанный на свободных акустических колебаниях, которые возбуждаются во всем теле объекта контроля, либо в его части, с помощью короткого удара.
Подобная акустическая диагностика имеет глубокие исторические корни. Ярким примером механических колебаний, служит обычный колокол: при ударе металлическим языком, он издаёт характерный затухающий звук. Интересно, что даже небольшая трещина в металле, кардинально меняет звучание колокола, что позволяет опытным мастерам мгновенно определить дефект. Этот метод проверки материалов на основе звука насчитывает более тысячи лет. Древние ремесленники виртуозно определяли качество глиняной и фарфоровой посуды, просто простукивая изделия. По характеру звука они могли судить о наличии трещин, пустот или неоднородностей в материале. Акустическая проверка успешно применяется и в современной промышленности. Железнодорожники до сих пор используют специальный молоток для контроля рельсов и колёсных пар вагонов. Лёгким постукиванием они на слух определяют целостность металла и выявляют потенциальные дефекты.
Метод свободных колебаний (МСВ) описан в ГОСТ Р 56542-2015 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов». Согласно этому стандарту, метод свободных колебаний — это метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров свободных механических колебаний, возбуждённых в контролируемом объекте.
Однако, данный метод, по прежнему имеющий уникальные возможности, до сих пор не нашел широкого применения в промышленности. Аналогичное оборудование выпускается отечественными производителями в ограниченном количестве, такая же ситуация и с зарубежными производителями. Основная причина заключается в сложности интерпретации полученных спектральных данных. Дело в том, что МСВ по сути эталонный метод - ему нужен акустический эталон объекта с которым будут сравниваться полученные спектры сигналов. Формы спектров и параметры сигналов у разных объектов совершенно разные, разные и особенности сигнала с дефектом, все они случайные, как и случайные сами дефекты.
Метод свободных колебаний (МСК) эффективно применяется для диагностики различных объектов, однако его реализация зависит от сложности конструкции изделия. Простые геометрические формы, такие как, слоистая древесина с внутренними дефектами, металлические пластины, цилиндрические изделия, круглые детали - для этих объектов возможно построение точных математических физических моделей модовых колебаний. На их основе и разрабатывается специализированное диагностическое оборудование, способное эффективно выявлять дефекты и отклонения от нормы. Сложные же изделия представляют собой серьезную техническую проблему по нескольким причинам:
- Сложность моделирования многокомпонентных систем
- Нелинейность поведения материала
- Наличие множества точек контакта
- Анализ комплексных акустических сигналов
- Интерпретации полученных данных
- Построении достоверных математических моделей
- Создание универсального диагностического оборудования
На сегодняшний день разработка эффективных решений для диагностики сложных изделий остается актуальной задачей, требующей дальнейших исследований в области акустики и математического моделирования.
С появлением искусственного интеллекта, ситуация при использовании МСК в диагностике кардинально изменилась. На 24-й Международной специализированной выставке "Дефектоскопия / NDT Санкт-Петербург", проходившей недавно 23 и 24 апреля 2025г., демонстрировался отечественный комплекс TriMod - xx, в основе которого лежал МСК, а обработку и выдачу заключения о годности того, или иного сложного изделия, давал искусственный интеллект с формированием отчета по результатам диагностики серийных образцов. Такой диагностический комплекс был единственным с искусственным интеллектом на тот момент, среди представленных диагностических экспонатов, где он использовался. Внешне его конструкция проста - все тот же электромеханический ударник, акустический сенсор приема колебаний, модем и компьютер. Все элементы комплекса независимы и управляются дистанционно, для того, чтобы можно было проводить диагностику, в том числе, крупногабаритных объектов - цистерны, балки, рельсы, трубы и пр., т.к. акустические колебания, возбуждаемые механическим образом, являются низкочастотными и в металле, других средах, имеют существенно меньшее поглощение, чем у ультразвука. У комплекса имеются научные публикации по обработке данных и апробация модели обработки на различного уровня конференциях.
Приводятся примеры диагностики головки от двигателя автомобиля "Камаз", а также с коленвалом от двигателя легкомоторного самолета и др.
В случаях, когда традиционные методы неразрушающего контроля сталкиваются с техническими ограничениями, современные акустические диагностические комплексы на МСК, демонстрируют свои ключевые преимущества:
Технологические особенности:
- Отсутствие необходимости в предварительной подготовке поверхности
- Не требуется использование дополнительных расходных материалов
- Автоматическая обработка результатов без влияния человеческого фактора
- Возможность использования в робототехнических устройствах без участия человека
Роль искусственного интеллекта:
- Автоматическое принятие бинарного решения о наличии дефекта
- Формирование и корректировка акустического эталона
- Анализ полученных данных в режиме реального времени
Процесс обучения операторов:
- Существенное упрощение, сокращение сроков и удешевление программы подготовки
- Возможность дистанционного обучения
- Фокус на освоении ключевых навыков:
Выбор зондирующих точек для сложных объектов
Работа с современным программным обеспечением
Отчетная документация по результатов диагностики
Преимущества автоматизации:
- Повышение точности диагностики
- Снижение вероятности ошибок
- Увеличение скорости проведения контроля
- Стандартизация процесса измерений
Такой подход к организации современного автоматизированного диагностического процесса, позволяет существенно повысить эффективность контроля качества, минимизируя влияние человеческого фактора и оптимизируя затраты на подготовку специалистов.