Ультразвуковая дефектоскопия. 2

Содержание

Введение

1. Природа ультразвука.
2. Генерирование ультразвуковых волн
3. Ультразвуковая дефектоскопия
4. Методы ультразвуковой дефектоскопии.
5. Импульсный эхо-метод
6. Преимущества и недостатки
7. Библиографический список

Введение

Современные технологические  процессы изготовления продукции машиностроения во многих случаях сопровождаются промежуточным контролем качества изделий. В связи с этим важное значение приобретают неразрушающие методы контроля качества, которые позволяют не только обнаруживать дефекты на поверхности или в толще изделия, но и определять их форму и размеры, а также пространственное положение. Каждый из этих методов обладает определенными преимуществами, что позволяет с большей точностью выявлять те или иные типы дефектов.

Процессы образования  и роста дефектов ставят под угрозу возможность безаварийной эксплуатации подвижного состава. Обеспечение безопасности движения за счет своевременного обнаружения заводских и усталостных дефектов в ответственных элементах пути и подвижного состава приносит огромный экономический эффект и служит сохранению человеческих жизней. Решение этой проблемы достигается современными физическими методами неразрушающего контроля.

В настоящее время  неразрушающий контроль представляет собой самостоятельную интенсивно развивающуюся на стыке физического материаловедения и технологии отрасль науки и техники, которая находит широкое применение в различных сферах производства и особенно на транспорте.

Практика показывает, что  правильная организация контроля, а  также умелое использование того или иного метода контроля, разумное сочетание этих методов позволяют с большой надежностью оценить наличие дефектов контролируемых изделий.

1. Природа ультразвука

Ультразвук – это упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн. Как известно, в зависимости от частоты упругие волны подразделяют на инфразвуковые (с частотой до 20 Гц), звуковые (от 20 до 2×10⁴ Гц), ультразвуковые (от 2×10⁴ до 10⁹ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10⁹ Гц). Акустические (упругие) волны – распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Упругие волны могут возникать в любой среде – твердой, жидкой и газообразной. Возмущения от источника передаются частицам среды, которые также начинают колебаться относительно своей точки равновесия. Эти колебания передаются соседним частицам, которые также начинают колебаться, затем колебания передаются все новым и новым частицам и в среде возникает упругая волна. Пространство, в котором распространяются упругие волны, – звуковое или акустическое поле. Упругие волны характеризуются следующими параметрами: длиной l, частотой f и скоростью распространения c, которые связаны зависимостью: l = c/f .        (1.1)

Приближенно скорость распространения продольной волны  определяется по формуле: ,  (1.2)

где Е - модуль упругости;

р — плотность среды, подверженной колебаниям.

Скорость распространения  поперечной волны определяется по формуле:

,   (1.3)

где G - модуль поперечной упругости, ,     (1.4)

-коэффициент поперечного сокращения  Пуассона, для стали  - 0,3.

Основной способ обнаружения  дефектов в ультразвуковой дефектоскопии  основан на фиксировании сигналов, отраженных от дефектов. Если размер дефекта  больше длины волны, то от него волна  отражается, а значит, дефект может  быть обнаружен. Поэтому от длины  волны зависит минимальный размер обнаруживаемых дефектов.

В твердых телах также  могут быть возбуждены и поверхностные  волны. Эти волны распространяются вдоль поверхности, проникая в глубину 1,5 λ. Скорость их примерно равна 0,93. В дефектоскопии деталей вагонов и локомотивов в настоящее время используются продольные, поперечные и поверхностные волны.

Ультразвуковая волна  в направлении своего движения несет  определенную энергию. Количество энергии, перенесенной волной за 1с через 1 площади, перпендикулярной к направлению распространения, называют интенсивностью волны.

По мере распространения  волны даже в строго определенном направлении без какого-либо расхождения, интенсивность ее падает. В таком  случае ослабление интенсивности (затухание  волн) может быть связано с поглощением, при котором механическая энергия  колебаний частиц переходит в  тепловую, и с рассеянием ультразвуковой волны на неоднородностях среды. Рассеяние зависит от соотношения длины волны и среднего диаметра неоднородности. Затухание ультразвуковых колебаний определяется, в основном, рассеянием ультразвука на границах зерен и практически тем больше, чем крупнее структура металла. Это свойство ультразвука используется для определения структуры металла осей. В осях с крупнозернистой структурой ультразвук затухает быстрее, и такие оси в эксплуатацию не допускаются. Интенсивность ультразвука снижается при затухании по экспоненциальному закону.

 ,    (1.5)

где- интенсивность ультразвука на расстоянии r от места, где интенсивность равна, е – основание натурального логарифма.

Коэффициент затухания при  дефектоскопии металлов быстро растет с повышением частоты.

Таблица 1

Скорость, длина  волны и коэффициент затухания  для частоты ультразвука 2,5 МГц  в некоторых средах

2.  Генерирование ультразвуковых волн

В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов применяются  ультразвуковые колебания (УЗК) частотой от 0.5-0.8 до 10.0 МГц. Для получения ультразвука  таких частот используются пьезоэлектрические, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Если пьезоэлектрическую пластину подвергать сжатию или растяжению, то на ее поверхностях появляются электрические заряды. Знак заряда определяется характером деформации, а величина – приложенной силой. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, в которых активным элементом являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов – титаната бария, цирконат-титаната свинца и других (ГОСТ 13927-74). На  поверхности пьезоэлементов наносят слои серебра, служащие электродами. При подведении к электродам переменного электрического напряжения пьезоэлемент совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При воздействии на пьезоэффект упругих механических колебаний на его электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих механических колебаний (прямой пьезоэффект). Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пьезоэлемента будет при резонансе, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего переменного напряжения.

Подавая на пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, отличной от собственной частоты колебаний, можно получить вынужденные колебания  пьезоэлемента с любой частотой. Однако в этом случае излучаемая энергия  будет меньше, чем при резонансной  частоте.

Таким образом, оказывается  возможным при помощи пьезоэлектрической пластины преобразовать электрические  колебания в ультразвуковые и, наоборот, ультразвуковые в электрические. Наибольший эффект преобразования удается получить в том случае, когда собственная резонансная частота пластины соответствует частоте прикладываемого электрического напряжения или частоте воздействующих ультразвуковых колебаний.

Собственная частота пластины зависит от толщины пластины d и может быть вычислена по формуле:

,   (2.1)

где k – коэффициент колебаний, зависящий от материала пьезоэлектрической пластины.

При контроле деталей вагонов  и локомотивов обычно используют пьезоэлектрические пластины из керамики цирконата титаната свинца или титаната бария. Коэффициент колебаний для  ЦТС k=1,51,9 МГц*мм.

Пластины изготавливают  искусственным путем, смешивая компоненты, и запекают в специальных формах. После этого пластины поляризуют. Для поляризации пластину выдерживают в течение 4 ч под воздействием постоянного выполняется в специальных условиях. При нагреве до определенной температуры пластины теряют свои пьезоэлектрические свойства. Восстановить их можно повторной поляризацией.

Пластины из ЦТС теряют пьезоэлектрические свойства при температуре 290 градусов, из ТБК – при температуре 120 градусов.

Пластины могут использоваться различной формы, размеров и толщины. Форма может быть круглая, квадратная, усеченная и т.д.

Размер пластины обозначается a, мм – это половинный размер пластины. От толщины пластины зависит ее резонансная частота. Чем больше толщина пластины, тем меньше ее собственная частота. Пластины из ЦТС – 19 имеют резонанс на частоте 2,5 МГц при толщине примерно 0,72 мм, из ТБК – при толщине 1 мм.

В настоящее время в  вагонной и локомотивной дефектоскопии  используются пластины круглой формы  с размером а = 6мм.

Если между пьезоэлектрической пластиной, подключенной к генератору переменного электрического напряжения, и материалом создать акустический контакт, то в материале будет  возбуждена продольная ультразвуковая волна с частотой колебания частиц среды, равной частоте приложенного электрического напряжения.

Вблизи излучателя в зоне поля, называемой ближней зоной (зона Френеля), волна будет распространяться без расхождения.

Протяженность ближней зоны:

 ,   (2.2)

 a – радиус излучателя.

В дальней зоне поля(зоне Фраунгофера), отстоящей от излучателя на расстоянии, равном примерно, начинается постепенное расхождение лучей. Поле приобретает форму усеченного конуса, половина угла раскрытия равна:

.    (2.3)

При частоте ультразвука 2,5 МГц и диаметре излучателя 12 мм протяженность ближней зоны в  стали составляет приблизительно 15 мм, а угол расхождения не превышает  .

В ближней зоне интенсивность  ультразвукового поля как вдоль пучка, так и по его сечению распределена неравномерно и меняется от точки к точке; в дальней зоне – интенсивность плавно падает при смещении по сечению от оси излучателя и вследствие расхождения ультразвукового пучка обратно пропорционально квадрату расстояния r от него.

Геометрическое место  точек максимальной интенсивности  поля в дальней зоне излучателя и  его геометрическое продолжение  в ближней зоне называют акустической осью преобразователя.

Таким образом, ультразвуковые колебания распространяются в виде незначительно расходящегося пучка, называемого ультразвуковым лучом. Графически ультразвуковой луч принято  условно обозначать прямой линией со стрелкой, совпадающей с акустической осью.

При дефектоскопии в некоторых  случаях возникает необходимость  вводить ультразвуковую волну под  углом к поверхности контролируемого  изделия. Для этого между пьезоэлектрической пластиной и контролируемым изделием располагают призму с углом , обычно изготовленную из плексиглаза или капролона. Если угол призмы выбрать между первым и вторым критическими углами, то в контролируемую среду будет вводиться только поперечная волна.

3.  Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия — это поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.

Аппаратура ультразвукового (УЗ) контроля.

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа:

- электроакустический  тракт, где электрические колебания  преобразуются в ультразвуковые и обратно, состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора;

- электрический  тракт состоит из генератора, усилителя и определяет амплитуду зондирующего импульса;

- акустический  тракт определяет путь от излучателя  до отражателя в металле и обратно - от отражателя до приемника.

Ультразвуковые  дефектоскопы предназначены для  излучения УЗ-колебаний, приема эхо-сигналов, установления положения и размеров дефектов. Аппаратура УЗ-контроля включает в себя пьезопреобразователь, электронный блок и вспомогательные устройства.

Основной частью пьезопреобразователя является пьезоэлемент, например пластина кварца или титаната бария в виде диска толщиной, равной половине длины волны ультракоротких (УК) колебаний. Преобразователи разделяются на прямые (вводят продольную волну перпендикулярно контролируемой поверхности); наклонные (вводят поперечную волну под углом к поверхности); раздельно-смещенные (вводят продольную волну под углом 5 - 10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода).

Прямой УЗ-преобразователь  состоит из корпуса, пьезопластины, окруженной с одной стороны демпфером, сокращающим длительность свободных колебаний, а с другой - защитным донышком, предохраняющим ее от механических повреждений.

Наклонный преобразователь  имеет пьезопластину, приклеенную к призмам из полимеров (оргстекло, полистирол и др.). Малая скорость распространения волн в полимерах позволяет при малых углах падения волн на объект вводить поперечные волны под большим углом. Когда ультразвуковой импульс достигает противоположной стороны образца, он отражается от нее и продолжает зигзагообразный путь между двумя поверхностями.

Прямые и наклонные  преобразователи работают по совмещенной  схеме: один и тот же пьезоэлемент служит в качестве излучателя и приемника. Выпускают также раздельно-совмещенные преобразователи (рис. 1.1, в), у которых имеются две пьезопластины: одна подключается к генератору излучения (Г), другая - к приемнику (П). Между ними устанавливается акустический экран.

 
 б в

Рис. 1.1. Ультразвуковые преобразователи:

а - прямой; б - наклонный (призматический); в - раздельно-совмещенный (PC); 1 - корпус; 2 - демпфер; 3 - пьезопластина; 4 - защитное донышко (протектор); 5 - призма; 6 — токоподвод; 7 - акустический экран

Электронный блок генерирует импульсы с высокой степенью частоты, усиливает и преобразует эхо-сигналы, отраженные от объекта, и отображает указанные эхо-сигналы на телевизионной трубке.

Дефектоскопы  работают по следующей схеме. От блока синхронизатора тактовые импульсы поступают в генератор зондирующих импульсов и запускают его. При подаче запускающего импульса в контуре, состоящем из индуктивности, емкости накопительного конденсатора, возникают радиочастотные колебания, называемые зондирующими импульсами. Последние возбуждают в пьезопластине ультразвуковые колебания. Одновременно тактовые импульсы с синхронизатора подаются и на генератор развертки электронно-лучевой трубки. Скорость развертки регулируется в зависимости от толщины прозвучиваемого металла.

Отраженные от дефекта импульсы упругих колебаний  подаются па пьезопластину и преобразуются в ней в электросигналы. Эти колебания усиливаются в усилителе, затем подаются на экран электронно-лучевой трубки. При развертке расстояние от зондирующего импульса до принятого сигнала пропорционально времени прохождения импульса от пьезопластины до дефекта и обратно. По числовым значениям скорости и времени прохождения ультразвука можно определить координаты дефекта. Отклонение луча на электроннолучевой трубке в вертикальном направлении характеризует амплитуду сигнала и пропорционально значению размера дефекта.

Амплитуда измеряется градуированными  приборами - аттенюаторами, имеющимися в дефектоскопах. Дефектоскоп также содержит автоматизированный сигнализатор для звуковой и световой индикации дефектов.

Ультразвуковой  дефектоскоп  ДУК-13ИМ.

Дефектоскоп предназначен для выявления внутренних дефектов в изделиях из металлов (трещин, пор, расслоений, непроваров, шлаковых включений и т. д.), определения их координат в сварных и клепаных соединениях. Прибор является переносным и используется в цеховых и полевых условиях в интервале температуры О-40°С и относительной влажности не более 80 % при 20°С. Работает он на частотах 1,8 и 2,5 МГц как с прямыми, так и с наклонными искательными головками.

Чувствительность  прибора регулируется в широких  пределах и на частоте 2,5 МГц обеспечивает выявление дефектов, эквивалентных отверстиям в эталоне № 1 при температуре 20°С:

- для искательных головок с углами 30 и 40° - отверстия 45 мм;

- для искательных головок с углами 50° - отверстия 5 мм.

Минимальная глубина выявления  дефектов (мертвая зона прибора) - не более 3 мм для искательных головок с углом падения 50°. Максимальная глубина прозвучивания - 600 мм (для стали) в режиме «контроль по слоям».

Прибор позволяет  вести контроль объекта в двух режимах работы:

- контроль по слоям;

- контроль от поверхности.

При контроле по слоям задержка развертки по времени  плавно регулируется в пределах от 12 до 100 мкс. Длительность развертки регулируется в пределах от 20 до 100 мкс.

В приборе ДУК-13ИМ имеется электронный глубиномер со шкалами прямого отсчета координат залегания дефектов и шкалой отсчета времени прохождения ультразвука в микросекундах. Шкала «МКС» используется для определения координат дефектов при контроле изделий из материалов со скоростью ультразвука, отличной от скорости ультразвука в стали СтЗ.

Прибор комплектуется  прямой искательной головкой для  прозвучивания объектов продольными волнами на частоте 2,5 МГц и призматическими головками с углами падения УЗК 30, 40 и 50° - для прозвучивания объекта питания прибора является сеть переменного тока напряжением 220 В частотой поперечными волнами на частотах 1,8 и 2,5 МГц. Индикация дефектов производится при появлении сигналов в телефоне и импульса на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Источником 50 - 60 Гц.

4.  Методы ультразвуковой дефектоскопии

Существующие акустические методы ультразвуковых исследований подразделяют на две большие группы - активные и пассивные.

1. Активные

Активные методы контроля подразумевают под собой излучение  и приём ультразвуковых волн. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные — только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

1. Отражения:

-  Эхо-метод или эхо-импульсный метод — наиболее распространенный: преобразователь генерирует колебания (т.е. выступает в роли генератора) и он же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник). Данный способ получил широкое распространение за счёт своей простоты, т.к. для проведения контроля требуется только один преобразователь, следовательно при ручном контроле отсутствует необходимость в специальный приспособлениях для его фиксации (как, например, в дифракционно - временном методе) и совмещении акустических осей при использовании двух преобразователей. Кроме того, это один из немногих методов ультразвуковой дефектоскопии, позволяющий достаточно точно определить координаты дефекта, такие как глубину залегания и положение в исследуемом объекте (относительно преобразователя). Другие методы (теневой, зеркальный, дельта) позволяют определить только наличие дефекта.

- Зеркальный или эхо-зеркальный метод  — используются два преобразователя с одной стороны детали: сгенерированные колебания отражаются от дефекта в сторону приемника. На практике используется только для специфических дефектов (это связано со сложностью прогнозирования отражения сигналов от дефектов) и только совместно с другими методами.

- Дифракционно-временной метод — используется два преобразователя с одной стороны детали, расположенные друг напротив друга. Если дефект имеет острые кромки (как, например, трещины) то колебания дифрагируют на концах дефекта и отражаются во все стороны, в том числе и в сторону приёмника. Дефектоскоп регистрирует время прихода обоих импульсов при их достаточной амплитуде. На экране дефектоскопа одновременно отображаются оба сигнала от верхней и от нижней границ дефекта, тем самым можно достаточно точно определить условную высоту дефекта. Способ достаточно универсален, позволяет производить ультразвуковой контроль на швах любой сложности, но требует специального оборудования для фиксации преобразователей, а также дефектоскоп, способный работать в таком режиме. Кроме того, дифрагированные сигналы достаточно слабые.

- Дельта-метод — разновидность зеркального метода — отличаются механизм отражения волны от дефекта и способ принятия. На практике не используется.

- Ревербационный метод - основан на постепенном затухании сигнала в объекте контроля. При контроле двухслойной конструкции, в случае качественного соединения слоёв, часть энергии из первого слоя будет уходить во второй, поэтому ревербация будет меньше. В обратном случае будут наблюдаться многократные отражения от первого слоя, так называемый лес. Метод используется для контроля сцепления различных видов наплавок, например баббитовой наплавки с чугунным основанием.

- Акустическая микроскопия благодаря повышенной частоте ввода ультразвукового пучка и применению его фокусировки, позволяет обнаруживать дефекты, размеры которых не превышают десятых долей миллиметра.

- Когерентный метод - помимо двух основных параметров эхо-сигнала, таких как амплитуда и время прихода, используется дополнительно фаза эхо-сигнала. Использование когерентного метода, а точнее нескольких идентичных преобразователей, работающих синфазно, позволяет получить изображение дефекта, близкое к реальному. При использовании специальных преобразователей, таких как преобразователь бегущей волны или его современный аналог - преобразователь с фазированной решёткой, метод позволяет значительно уменьшить время, затрачиваемое на контроль изделия.

2. Прохождения:

Методы прохождения подразумевают  под собой наблюдение за изменением параметров ультразвуковых колебаний, прошедших через объект контроля, так называемых сквозных колебаний. Изначально для контроля применялось  непрерывное излучение, а изменение  его амплитуды сквозных колебаний  расценивалось как наличие дефекта  в контролируемом объекте, так называемой звуковой тени. Отсюда появилось название теневой метод. Со временем непрерывное излучение сменилось импульсным, а к фиксируемым параметрам помимо амплитуды добавились также фаза, спектр и время прихода импульса и появились другие методы прохождения. Термин «теневой» потерял свой первоначальный смысл и стал означать один из методов прохождения. В англоязычной литературе метод прохождения называется through transmission technique или through transmission method, что полностью соответствует его российскому названию. Термин теневой в англоязычной литературе не применяется.

- Теневой — используются два преобразователя, которые находятся по две стороны от исследуемой детали на одной линии. В данном случае один из преобразователей генерирует колебания (генератор), а второй принимает их (приёмник). Признаком наличия дефекта будет являться значительное уменьшение амплитуды принятого сигнала, или его пропадание (дефект создает акустическую тень).

- Зеркально-теневой — используется для контроля деталей с параллельными двумя сторонами, развитие теневого метода: анализируются отражения от противоположной грани детали. Признаком дефекта, как и при теневом методе, будет считаться пропадание отраженных колебаний. Основное достоинство этого метода в отличие от теневого заключается в доступе к детали с одной стороны.

- Временной теневой основан на запаздывании импульса во времени, затраченного на огибание дефекта. Используется для контроля бетона или огнеупорного кирпича.

- Метод многократной тени аналогичен теневому, с тем исключением, что ультразвуковая волна несколько раз проходит через параллельные поверхности изделия.

- При эхо - сквозном методе используют два преобразователя, расположенные по разные стороны объекта контроля друг напротив друга. В случае отсутствия дефекта, на экране дефектоскопа наблюдают сквозной сигнал и сигнал, двукратно отражённый от стенок объекта контроля. При наличии полупрозрачного дефекта, также наблюдают отражённые сквозные сигналы от дефекта.

- Ревербационно-сквозной метод включает в себя элементы ревербационного метода и метода многократной тени. На небольшом расстоянии друг от друга, как правило с одной стороны изделия, устанавливают два преобразователя - передатчик и приёмник. Ультразвуковые волны, посылаемые в объект контроля после многократных отражений, в конечном счете попадают на приёмник. Отсутствие дефекта позволяет наблюдать стабильные отраженные сигналы. При наличии дефекта изменяется распространение ультразвуковых волн - изменяется амплитуда и спектр принятых импульсов. Метод применяется для контроля многослойных конструкций и полимерных композитных материалов.

- Велосиметрический метод основан на регистрации изменения скорости упругих волн в зоне дефекта. Применяется для контроля многослойных конструкций и для изделий из полимерных композиционных материалов.

3) Собственных колебаний:

Вынужденных колебаний:

- Интегральный

- Локальный

- Акустико-топографический

Свободных колебаний:

- Интегральный

- Локальный

4) Импендансные:

- Изгибных волн

- Продольных волн

- Контактного импенданса

2. Пассивные

Пассивные методы контроля заключаются  в приёме волн, источником которых  является сам объект контроля.

- Акустико-эмиссионный