Приборы и методы акустического контроля

Введение

Одним из действенных  резервов повышения качества и надежности продукции машиностроения и других отраслей является неразрушающий контроль.  Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые  методы контроля позволяют получить информацию о дефектах, расположенных  на значительной глубине в различных  материалах, изделиях и сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только повышает производительность труда, но и позволяет получить объективную картину качества изделия или сварного соединения, подобную рентгенограмме. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении. Ежегодно методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров сварных соединений металлоконструкций, десятки тысяч трубных соединений, сварных стыков рельсов, оценивается качество деталей сосудов и аппаратов высокого давления, поковок, труб, листового проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От их квалификации, теоретической и практической подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.

1 Анализ характеристик объекта контроля

В данном курсовом проекте  необходимо разработать технические  средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля изделия из стали, эскиз которого изображен на рисунке 1.1.

         Рисунок 1.1 – Эскиз заданного изделия

Изделие изготавливается из двух труб различного диаметра, которые соединяются специальными коническими переходниками посредством сварки. В изделии необходимо произвести контроль сварных швов.

     Сварные швы изделия  выполнены в соответствии с  ГОСТ 14771-76.

     Эскиз сварного шва изображен на рисунке 1.2.

        Рисунок 1.2 – Эскиз сварного соединения

Таблица1.1 – Параметры  сварного соединения по ГОСТ 14771-76

    Материалом контролируемой детали является сталь 12Х18Н10Т. Она имеет следующие акустические и физические характеристики [11].

(Таблица 1.2)

Таблица 1.2. – Характеристики стали 12Х18Н10Т

     Сталь 12Х18Н10Т является  аустенитной сталью и применяется  для изготовления  деталей, работающих до 600 °С, сварных аппаратов и сосудов, работающих в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и других деталей, работающих под давлением при температуре от —196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С. Обладает хорошей свариваемостью.

    Сварное соединение выполнено полуавтоматической сваркой в углекислом газе. При данном виде сварки применяют только плавящийся электрод. Процесс полуавтоматической сварки заключается в том, что сварочный инструмент перемещается рукой сварщика, а электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельно установленного механизма к соплу сварочного инструмента [3].

      Подготовка металла  под сварку состоит в следующем.  Чтобы в наплавленном металле не было пор (рисунок 1.3) , кромки сварных соединений необходимо зачищать от ржавчины, грязи, масла и влаги на ширину до 30мм по обе стороны от зазора. В зависимости от степени загрязнения зачищать кромки можно протиркой ветошью, зачисткой стальной щёткой, опескоструиванием, а также обезжириванием с последующим травлением. Следует заметить, что окалина почти не влияет на качество сварного шва, поэтому детали после газовой резки могут свариваться сразу после зачистки шлака. Состояние поверхности перед контролем должно быть не менее Rz 40.

  Рисунок 1.3 – Пористость в металле шва

    На свойство металла  шва влияет качество углекислого  газа. Повышенное содержание в  нем водяных паров и воды  способствует образованию пор  даже при хорошей защите от воздуха.

    В связи с тем, что сталь 12Х18Н10Т, из которой изготовлен объект контроля, является сталью аустенитного класса, существует ряд особенностей при сварке изделий из данного материала.

    Основные трудности сварки рассматриваемой стали обусловлены многокомпонентностью ее легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Главной и общей особенностью сварки является склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Горячие трещины как правило имеют небольшое раскрытие, слабо шероховатую, почти плоскую поверхность. Отражение от них ультразвука блзко к зеркальному и поэтому он выявляются плохо. К горячим трещинам относятся поперечные, ориентированные поперек оси шва и расположенные в шве или околошовной зоне (рисунок 1.4). Горячие трещины могут наблюдаться как в виде мельчайших микронадрывов, так и видимых трещин. Они могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжении усадки.

Рисунок 1.4. Поперечные горячие  трещины

   Кроме сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин, имеются и другие особенности сварки, обусловленные особенностями их использовании. К сварным соединениям жаропрочных сталей предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения при сварке приводят к фиксации неравновесных структур в металле шва. В процессе эксплуатации при температурах выше 350° С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые структурные составляющие, приводящие к снижению пластических свойств металла шва. Термическое старение при 350—500'" С вызывает появление «475-градусной хрупкости», а при 500—650^е С приводит к выпадению. Выдержка при 700—850° С интенсифицирует охрупчивание металла при более низких температурах и снижение прочности при высоких температурах. При этом возрастает роль интерметаллидного упрочнения. В процессах теплового старения аустенитных сталей ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения, поэтому для уменьшения склонности сварных соединений жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате выпадения карбидов эффективно  снижать  содержание  углерода и основном металле  и   металле  шва.

   В околошовной зоне жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин (рисунок 1.5).

      Рисунок 1.5. - Трещины

 Локальные разрушения характерны для участка перегрева околошовной зоны и являются  межкристаллическими   разрушениями  вследствие  концентрации деформаций по границам зерен и развития процессов межзеренного проскальзывания.

      При сварке в околошовной зоне также возможно образование холодных трещин. Предварительный и сопутствующий нагрев до 350—450° С уменьшает опасность образования холодных трещин. Холодные трещины, как правило, имеют значительно большие размеры, неровную поверхность, сильно развиты в трехмерном пространстве. Довольно легко обнаруживаются по «блестящим точкам», т.е. по участкам, благоприятно ориентированным к падающему лучу ультразвука.  

     Межкристаллитная коррозия в металле шва возникает в результате выделения из аустенита под действием термического цикла сварки карбидов хрома, приводящих к обеднению хромом приграничных объемов зерен. Основными причинами этого являются повышенное содержание в металле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Стойкость шва против межкристаллитной коррозии уменьшается в результате длительного воздействия нагрева при неблагоприятном термическом цикле сварки или эксплуатации изделия.

     Межкристаллитная коррозия основного металла на некотором расстоянии от шва также вызвана действием термического цикла сварки на ту часть основного металла, которая была нагрета до критических температур.

  Общая коррозия, т. е. растворение металла в коррозионной среде, может развиваться в металле шва, на различных участках или в околошовной зоне в целом и в основном металле. В некоторых случаях наблюдается равномерная общая коррозия основного металла и сварного соединения.

   Имеется еще один вид коррозионного разрушения —коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транс-кристаллитное. Снижение остаточных сварочных напряжений—одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного  разрушения.

    К дефектам, которые могут  образовываться в процессе сварки, относятся непровары (рисунок 1.6) – это дефекты в виде местного несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок. Причинам образования непроваров и несплавлений являются: плохая зачистка кромок свариваемых деталей от окалины, ржвчины, краски, шлака, масла  и других загрязнений, блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей; электроды из легкоплавкого материала; чрезмерная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают  расплавиться; неудовлетворительное качество основного металла, электродов и т.д.

Рисунок 1.6 - Непровары  в корне шва

 Непровар в корне шва является недопустимым дефектом. Причинами образования непроваров в корне шва, кроме указанных ранее, могут быть: недостаточный угол скоса кромок и большая величина их притупления; недостаточный зазор между кромками свариваемых деталей [4].

   2 Сравнительный анализ известных методик УЗ-контроля сварных швов

        Сварные стыковые соединения обычно контролируют эхо-методом наклонным совмещенным преобразователем с двух сторон шва и по одной поверхности стыка. При этом применяют прямой  (m=0)  и однократно отраженный лучи (m=1)  (рис. 2.1).

  Рисунок 2.1- Схема контроля стыковых соединений:

а- прямым лучом; б- однократно отраженным лучом; в- по слоям для соединений большой толщины.

        При контроле швов, выполненных односторонней сваркой, толщиной 10—30 мм эхо-сигналы от провисания металла в корне шва мешают расшифровке сигналов на экране дефектоскопа. Если при сварке провисания шва не образуются или они очень малы, то контроль производится одним преобразователем прямым и однажды отраженным лучом за одни прием. Для соединений толщиной 10—15 мм наиболее эффективно применение стандартного преобразователя с β = 50—53° на частоту 5 МГц.

     Если же ложные сигналы от провисаний велики, то с целью повышения надежности и помехоустойчивости контроль целесообразно проводить раздельно в корневой и остальной части шва. При этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролировать однократно отраженным лучом преобразователем с β=40°.[9]

      Однако данный данный объект контроля выполнен из стали 12Х18Н10Т- стали аустенитного класса. Поэтому существуют некоторые особенности контроля сварных соединений аустенитных сварных швов.

      Аустенит - высокотемпературная аллотропическая модификация сплава железа с углеродом. Благодаря легирующим добавкам эта структура сохраняется при комнатных температурах. Аустенитная сталь не ржавеет, не обладает ферромагнитными свойствами.

Сварные соединения из сталей аустенитного класса имеют крупнозернистую анизотропную структуру. Гранецентрированные кристаллы аустенита начинают расти перпендикулярно кромке сварного шва и по мере заполнения шва растут вдоль направления теплоотвода, т.е. перпендикулярно границе расплавленного металла. При нанесении последующего валика шва в нем продолжается рост кристаллитов от предыдущего валика (явление эпитаксиальности). В результате возникают столбчатые кристаллиты, проходящие через все валики шва -транскристаллитная структура.

В зависимости от направления волн в кристалле скорость звука существенно меняется [10]: до ± 15 % для продольных волн; до± 35 % для поперечных волн с вертикальной поляризацией; до± 20 % для поперечных волн с горизонтальной поляризацией. Меняется также коэффициент затухания волн. Вследствие транскристаллитной структуры изменение акустических свойств наблюдают для всего наплавленного металла шва. Он весь становится анизотропным. Это существенно отличает такой шов от изотропной (в большом объеме) крупнозернистой среды со случайной ориентацией зерен.

      Анизотропия сварного шва приводит к тому, что направление вектора фазовой скорости, задаваемой углом призмы ПЭП, отличается от направления вектора групповой скорости, которая определяет направления распространения импульса. В результате, возникает рефракция, направление лучей искривляется (лучи отклоняются в сторону максимального значения фазовой скорости), пучок лучей деформируется рисунок 2.2: в области максимального значения фазовой скорости концентрация энергии уменьшается, а в области минимального значения - увеличивается. Это очень мешает определению координат и размеров дефектов (как по амплитудному признаку, так и по перемещению преобразователя), вызывает появление ложных донных сигналов. Направление лучей к донной поверхности вызывает появление отраженных от нее ложных сигналов.

Рисунок 2.2 - Изменение  направление лучей в аустенитном  сварном шве: а) продольная волна; б) вертикально; в) горизонтально поляризованные

поперечные  волны

В процессе УЗ - контроля аустенитных  сварных швов на той же чувствительности, на которой производится контроль сварных соединений перлитных сталей, фиксируется много ложных сигналов, отношение полезный сигнал/помеха часто близко к единице или меньше ее, затухание ультразвука велико. Коэффициент затухания продольных волн 0,1 ...0,45 дБ/мм. В ряде случаев контроль оказывается невозможным из-за того, что УЗ-волны, сильно затухая и рефрагируя не проникают в металл шва.

Основными факторами, влияющими на прохождение и рассеяние УЗ-волн в аустенитном сварном шве, являются: размер зерна (точнее, размеры кристаллов аустенита), направленности роста кристаллов аустенита, содержание феррита и распределение его по сечению шва, содержание карбидов и их распределение, интерметаллиды, микрорыхлоты и микротрещины, размер зерна в околошовной зоне (зоне термического влияния). Рассеяние ультразвука при контроле аустенитных сварных швов происходит на границах кристаллитов и на границе основного и наплавленного металла. Например, интенсивные сигналы наблюдают от двугранного угла, образуемого границей разделки основного и наплавленного металла и поверхностью соединения.

Порог чувствительности (т.е. минимальную  величину фиксируемого искусственного отражателя) при высоком уровне структурных помех также снижают тремя путями. Первый заключается в выборе оптимальных параметров контроля, второй - в применении статистических методов обнаружения сигналов на фоне структурных помех, третий - в компьютерной обработке сигналов и помех. Применяют PC и фокусирующие преобразователи, продольные волны, так как затухание для них в несколько раз меньше, чем для поперечных, а также меньше анизотропия рисунок 2.2, а. Перспективно также применение поперечных волн с горизонтальной поляризацией, для которых анизотропия мала рисунок 2.2, в, но их можно возбудить и принять, как правило, ЭМА-способом.

Для дефектоскопии аустенитных  сварных швов рекомендуются способы контроля, приведены в таблице 2.1. При однопроходной сварке швов толщиной 10 мм и менее происходит быстрое остывание расплавленного металла, что способствует измельчению зерен. В результате толщины до 10 мм часто удается контролировать сильно демпфированными наклонными преобразователями поперечных SV-волн. Контроль соединений труб проводят притертым совмещенным или РС-преобразователями поперечных волн с углом ввода 70 + 5 ° на частоте 5 МГц.

Обычно контролю подвергают только корневую часть шва, прозвучивание которой осуществляют прямым лучом. Необходимо обращать внимание на возможную вариацию скорости в основном металле, которая может достигать 10%. Это существенно изменяет угол ввода. Рекомендуется выполнять измерение скорости перед началом контроля и корректировать угол призмы преобразователя. Если измерение скорости поперечных волн с_t затруднительно, можно измерить скорость продольных волн c_l и рассчитать по формуле c_t = 0,547 с_l .

Таблица 2.1 - Способы  УЗ-контроля аустенитных сварных  швов

Толщины более 10...20 мм контролируют продольными  и головными волнами, хотя некоторые  виды соединений удается контролировать поперечными волнами. Использованию продольных волн мешает присутствие поперечных волн, возбуждаемых одновременно с продольными и возникающих в результате трансформации продольных волн при отражениях. Это накладывает на методику контроля продольными волнами ряд ограничений. Необходимо точно стробировать зону контроля, чтобы выделить время прихода импульсов продольных волн. Нельзя пользоваться однократно отраженным лучом для контроля верхней части шва, так как при отражении от нижней поверхности соединения продольные волны в значительной степени трансформируются в поперечные. Приходится защищать верхний валик, чтобы проверить весь металл шва. По этой же причине для продольных волн слабо проявляется угловой эффект, помогающий обнаруживать дефекты вблизи наружной и внутренней поверхностей. Для риски глубиной 2 мм и угла ввода 45 ° коэффициент G для продольных волн в 9 раз меньше, чем для поперечных. Контроль продольными (или поперечными) волнами наклонными преобразователями выполняют, перемещая преобразователи по основному и наплавленному металлу, направленными поперек шва с двух сторон от него, а также вдоль оси шва для проверки на поперечные трещины. При невозможности доступа контроль проводят с одной стороны шва. Шаг сканирования - не более половины размера пьезопреобразователя a/2. Прозвучивают наплавленный металл шва и зоны термического влияния. Контроль головными волнами проводят, направляя волны поперек оси шва. Преобразователь перемещают по наплавленному металлу и по основному металлу на расстоянии до 20 ...25 мм от кромок. Экран между излучателем и приемником должен находиться в положении, перпендикулярном оси шва. Одновременно с наблюдением за появлением эхо сигналов от дефектов наблюдают за ослаблением донного сигнала (зеркально-теневой метод). Признаком дефекта является ослабление донного сигнала до уровня фиксации эхометода. Контроль зеркально-теневым методом выполняют только при возможности получения донного сигнала на бездефектном ОК.

Для найденных несплошностей определяют координаты и минимальную амплитуду эхосигнала. Ее сравнивают с максимальной амплитудой эхосигнала от бокового отверстия, наиболее близко к несплошности по глубине залегания и траектории УЗ-волн (через наплавленный металл или через основной металл).

Если в процессе контроля какого либо участка сварного шва наблюдается высокий уровень сигналов с характерными признаками структурных помех, то его проверяют на контролепригодность. Если участок признается неконтролепригодным, то в заключении по результатам контроля отмечается его местоположение и длина. [10]

     Одним из перспективных способов контроля аустенитных сварных швов является двухчастотный [10]. Дефектами считаются только отражатели, дающие эхо-сигнал на двух частотах, отличающихся в 1,5 раза. Для реализации этого способа необходимы аппаратура и преобразователи, обеспечивающие требуемую вариацию частоты без смены преобразователя.

Для расширения возможности контроля аустенитных сварных соединений используется явление трансформации волн [15]. При угле ввода продольной волны а, = 64° - 70° образуется интенсивная поперечная волна (рис. 2.3 а).

Рисунок 2.3 - Контроль шва с трансформацией волн: 0 - точка ввода преобразователя

При ее падении на донную поверхность  под углом α_f = 30° происходит практически полная трансформация этой волны в продольную. Продольная волна отражается под углом α_t = 65°. Предположим, что далее продольная волна падает на вертикальный дефект, зеркально отражается от него как продольная волна и принимается тем же преобразователем. Возникает ситуация, когда (как в методе тандем) происходит зеркальное отражение от дна и дефекта, но с трансформацией типов волн, причем излучает и принимает волны один преобразователь. Такой способ называют самотандем. Дефекты выявляются в диапазоне h= (0,2 - 0,8) Н (Н — толщина шва), но лучше всего на глубине 0,63 Н.

При использовании преобразователя  с углом ввода продольной волны 80° -90^о помимо объемной поперечной волны образуется головная волна (рис. 2.3, б). Она выявляет подповерхностные дефекты. Поперечная волна на донной поверхности также частично трансформируется в головную, бегущую вдоль донной поверхности. Она выявляет дефекты вблизи этой поверхности.

      Таким образом в соответствии с конструктивными особенностями заданного объекта его прозвучивание целесообразно будет проводить хордовымпреобразователями продольными волнами для выявления дефектов в нижней части шва (  00.00.000 Д2  ) и наклонным преобразовтелем головным волнами для п выявления дефектов в верхней части шва (00.00.000 Д3).

     Сравнительный анализ известных эхо-дефектоскопов для УЗ-контроля сварных швов.

   В настоящее время зарубежной и отечественной промышленностью разработано большое количество моделей дефектоскопов, среди которых есть как универсальные, так и специальные.

Дефектоскоп ультразвуковой УД4-Т является универсальным  прибором томографиком, который предназначен для контроля сплошности сварных соединений листовых элементов, труб, котлов, рельсов, колесных пар, деталей подвижного состава и других металлоконструкций, а также измерения толщин, построения томографии (В-скан и D-скан). По показателю эффективность/стоимость прибор превосходит отечественные и зарубежные дефектоскопы общего назначения. Ультразвуковой дефектоскоп УД4-Т предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материалов, готовых изделий, полуфабрикатов и сварных (паяных) соединений, измерения глубины и координат залегания дефектов, измерения отношений амплитуд сигналов, отражённых от дефектов [12].

Многофункциональный дефектоскоп  нового поколения

-Частотный диапазон с плавной регулировкой от 0,4 до 10 МГц;

-Два независимо - управляемых строба (А и В);

-Автоматическое или ручное построение кривой ВРЧ (до 256 точек);

-Два вида ценка конфигурации и размеров дефектов по томографическому изображению;

-Автоматическое  определение скорости УЗК и задержки в призме;

-Система слежения за акустоконтактом.

Эксплуатационные данные: 
Питание: 220V/ 50Hz/10 W  
Батарея: Li-on, мониторинг, автоподзарядка  
Цветной TFT дисплей: 320x240 dpi  
Интерфейс: RS 232, IrdA, Ethernet 
Работа от батареи: не менее 10ч  
Размеры: 125x210x85 мм  
Масса: с батареей 2,2 кг  
Климатика: IP54, -20/+50 °С.

    Дефектоскоп ультразвуковой  УД2-102 «ПЕЛЕНГ» предназначен для  контроля сплошности различных металлоконструкций, в том числе:

• стыковых, тавровых, угловых, нахлесточных и др. типов сварных соединений листовых элементов, труб, котлов и проч.;
• основного металла (выявление расслоений, трещин неметаллических включений и др. дефектов);
• сварных стыков рельсов;
• болтовых стыков и отдельных сечений рельсов, уложенных на пути.

В отличие от большинства эксплуатируемых  средств ручного контроля в дефектоскопе предусмотрено:

• развертка типа А и типа В;
• энергонезависимая память предварительных настроек и текущих результатов контроля;
• обнаружение дефектов по двум одновременно принимаемым эхо-сигналам, один из которых от конструктивного отражателя, а второй от дефекта;
• наряду с эхо- и зеркально-теневым методами контроля- зеркальный метод;
• возможность контроля по заранее подготовленным вариантам настройки;
• возможность подключения дефектоскопа к ПК.

Помимо указанных выше характеристик, дефектоскоп УД2-102 обладает диапазоном рабочих частот 0,4-5,0 МГц; значения динамического диапазона амплитудной характеристики - не менее 18 дБ при нелинейности не более 3 дБ, диапазона регулировки усиления (чувствительности) аттенюатором от 0 до 80 дБ с дискретностью 1дБ.

Дефектоскоп имеет ЖК-индикатор для отображения информации, звуковой АСД, позволяет осуществлять временную селекцию сигналов, измерять координаты дефектов, отношения амплитуд сигналов и др.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В, либо от встроенного NiMH аккумулятора, число циклов разряда-заряда которой составляет не менее 800.