Ультразвуковая дефектоскопия. 3

Ультразвуковая дефектоскопия — поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Принцип работы

Звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение  акустических волн происходит от раздела  сред с различными удельными акустическими  сопротивлениями. Чем больше различаются  акустические сопротивления, тем большая  часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Так как  включения в металле часто  содержат воздух, имеющий на несколько  порядков меньшее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение будет практически полное.

Разрешающая способность акустического  исследования определяется длиной используемой звуковой волны. Это ограничение  накладывается тем фактом, что  при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается. Это определяет использование высокочастотных  колебаний — ультразвука. С другой стороны, при повышении частоты  колебаний быстро растет их затухание, что ограничивает доступную глубину  контроля. Для контроля металла наиболее часто используются частоты от 0.5 до 10 МГц.

Возбуждение и прием ультразвука

Существует несколько методов  возбуждения ультразвуковых волн в  исследуемом объекте. Наиболее распространенным является использование пьезоэлектрического  эффекта. В этом случае излучение  ультразвука производится с помощью  преобразователя, который преобразует  электрические колебания в акустические с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Отраженные сигналы попавшие на пьезопластину из-за прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрические, которые и регистрируются измерительными цепями.

Также используются электромагнитно-акустический (ЭМА) метод, основанный на приложении сильных переменных магнитных полей  к металлу. КПД этого метода гораздо ниже, чем у пьезоэлектрического, но зато может работать через воздушный зазор и не предъявляет особых требований к качеству поверхности.

Активные

Активные методы контроля подразумевают  под собой излучение и приём  ультразвуковых волн.

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

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 акустической оси. 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 двумя параллельными 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, двкуратно 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.

Преимущества

Ультразвуковое исследование не разрушает  и не повреждает исследуемый образец, что является его главным преимуществом. Возможно проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией) и высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

Недостатки

Использование пъезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности для ввода ультразвука в металл, в частности создания шероховатости поверхности не ниже класса 5, в случае со сварными соединениям ещё и направления шероховатости (перпендикулярно шву). Малейший воздушный зазор может стать неодолимой преградой. Для устранения воздушного зазора, на контролируемый участок изделия предварительно наносят контактные жидкости, такие как вода, масло, клейстер. При контроле вертикальных или сильно наклоненных поверхностей необходимо применять густые контактные жидкости с целью предотвращения их быстрого стекания.

Для контроля изделий с внешним  диаметром менее 200мм, необходимо использовать преобразователи, с радиусом кривизны подошвы R, равным 0,9-1,1R радиуса контролируемого  объекта, так называемые притертые  преобразователи, которые в таком  виде непригодны для контроля изделий  с плоскими поверхностями. Например для контроля цилиндрической поковки, необходимо производить перемещение преобразователя в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что подразумевает под собой использование двух притёртых преобразователей - по одному для каждого из направлений.

Как правило ультразвуковая дефектоскопия не может дать ответ на вопрос о реальных размерах дефекта, лишь о его отражательной способности в направлении приемника. Эти величины коррелируют, но не для всех типов дефектов. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.

Практически невозможно производить  достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких как чугун или аустенитный сварной шов (толщиной свыше 60 мм) из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

Свойства ультразвуковых волн

Метод ультразвуковой дефектоскопии  металлов и других материалов впервые  был разработан и практически  осуществлен в Советском Союзе  в 1928—1930 гг. проф. С. Я. Соколовым.

Ультразвуковые волны представляют собой упругие колебания материальной среды, частота которых лежит  за пределами слышимости в диапазоне  от 20 кгц (волны низкой частоты) до 500 Мгц (волны высокой частоты).

Ультразвуковые колебания бывают продольные и поперечные. Если частицы  среды перемещаются параллельно  направлению распространения волны, то такая волна является продольной, если перпендикулярно-поперечной. Для  отыскания дефектов в сварных швах используют в основном поперечные волны, направленные под углом к поверхности свариваемых деталей.

Ультразвуковые волны способны проникать в материальные среды  на большую глубину, преломляясь  и отражаясь при попадании  на границу двух материалов с различной  звуковой проницаемостью. Именно эта  способность ультразвуковых волн используется в ультразвуковой дефектоскопии  сварных соединений.

Ультразвуковые колебания могут  распространяться в самых различных  средах — воздухе, газах, дереве, металле, жидкостях.

Скорость распространения ультразвуковых волн C определяют по формуле:

C = fλ

где f — частота колебаний, гц;

       λ — длина волны, см.

Для выявления мелких дефектов в  сварных швах следует пользоваться коротковолновыми ультразвуковыми  колебаниями, так как волна, длина  которой больше размера дефекта, может не выявить его.

Получение ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны получают механическим, термическим, магнитострикционным (Магнитострикция — изменение  размеров тела при намагничивании) и пьезоэлектрическим (Приставка  «пьезо» означает «давить») способами.

Наиболее распространенным является последний способ, основанный на пьезоэлектрическом эффекте некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, титаната бария): если противоположные грани пластинки, вырезанной из кристалла, заряжать разноименным электричеством с частотой выше 20 000 гц, то в такт изменениям знаков зарядов пластинка будет вибрировать, передавая механические колебания в окружающую среду в виде ультразвуковой волны. Таким образом электрические колебания преобразовываются в механические.

В различных системах ультразвуковых дефектоскопов применяют генераторы высокой частоты, задающие на пьезоэлектрические пластинки электрические колебания  от сотен тысяч до нескольких миллионов  герц.

Пьезоэлектрические пластинки  могут служить не только излучателями, но и приемниками ультразвука. В  этом случае под действием ультразвуковых волн на гранях кристаллов-приемников возникают электрические заряды малой величины, которые регистрируются специальными усилительными устройствами.

Методы выявления дефектов ультразвуком

Существуют в основном два метода ультразвуковой дефектоскопии: теневой  и эхо-импульсный (метод отраженных колебаний.)

Рис. 1. Схемы проведения ультразвуковой дефектоскопии

а — теневым; б — эхо импульсным методом; 1 — щуп-излучатель;  2 — исследуемая деталь; 3 — щуп приемник; 4 — дефект

При теневом методе (рис. 1, а) ультразвуковые волны, идущие через сварной шов от источника ультразвуковых колебаний (щупа-излучателя), при встрече с дефектом не проникают через него, так как граница дефекта является границей двух разнородных сред (металл — шлак или металл — газ). За дефектом образуется область так называемой «звуковой тени». Интенсивность ультразвуковых колебаний, принятых щупом-приемником, резко падает, а изменение величины импульсов на экране электронно-лучевой трубки дефектоскопа указывает на наличие дефектов. Этот метод имеет ограниченное применение, так как необходим двусторонний доступ к шву, а в ряде случаев требуется снимать усиление шва.

При эхо-импульсном методе (рис. 1, б) щуп-излучатель посылает через сварной шов импульсы ультразвуковых волн, которые при встрече с дефектом отражаются от него и улавливаются щупом-приемником. Эти импульсы фиксируются на экране электроннолучевой трубки дефектоскопа в виде пиков, свидетельствующих о наличии дефекта. Измеряя время от момента посылки импульса до приема обратного сигнала, можно определить и глубину залегания дефектов. Основное достоинство этого метода состоит в том, что контроль можно проводить при одностороннем доступе к сварному шву без снятия усиления или предварительной обработки шва. Этот метод получил наибольшее применение при ультразвуковой дефектоскопии сварных швов.

Импульсные ультразвуковые дефектоскопы

Контроль сварных соединений осуществляется при помощи ультразвуковых дефектоскопов, которыми можно выявлять трещины» непровары, газовые и шлаковые включения в стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных соединениях, выполненных дуговой, электрошлаковой, газовой и контактной сваркой. Контролировать можно как сварку сталей, так и сварку цветных металлов и их сплавов.

Электрическая схема дефектоскопов, состоящая из отдельных электронных  блоков, смонтирована в металлическом  кожухе, на передней панели которого находится  экран электроннолучевой трубки и расположены рукоятки управления. Дефектоскопы укомплектованы призматическими щупами-искателями (рис. 2) с углами ввода ультразвукового луча 30, 40 и 50° (0,53; 0,7 и 0,88 рад). Придаются также и прямые щупы, при помощи которых ультразвуковые колебания вводятся перпендикулярно поверхности контролируемого изделия. Комплект щупов позволяет выбирать для каждого конкретного случая необходимую схему прозвучивания. Во всех щупах в качестве пьезоэлектрического преобразователя используются пластинки титаната бария.

Рис. 2. Конструктивная схема призматического щупа

1 — кольцо изоляционное; 2 —  асбестовая прокладка; 3 — накладка  контактная;   4 — втулка изоляционная; 5 — втулка; 6 — пластинка из титаната бария; 7 — корпус;8 — призма из плексигласа

В зависимости от количества щупов  и схемы их включения ультразвуковые дефектоскопы могут быть двухщуповыми, в которых один щуп является излучателем, а другой приемником, или однощуповыми, где функция ввода и приема ультразвуковых колебаний выполняются одним щупом. Это возможно потому, что прием отраженного сигнала происходит во время пауз между импульсами, когда никаких других сигналов, кроме отраженных, на пьезоэлектрическую пластинку не поступает.

В качестве индикаторов дефектов применяются  электроннолучевые трубки. Ряд дефектоскопов  оснащен также световым (электрической  лампочкой на искательной головке  щупа) и звуковым (динамиком и  телефонными наушниками) индикаторами.   

Типовая блок-схема импульсного  ультразвукового дефектоскопа, работающего  по однощуповой схеме, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа УЗД-7Н

1 — задающий генератор; 2 — генератор  импульсов; 3 — пьезоэлектрический  щуп; 4 — генератор развертки; 5 —  приемный усилитель; 6 — электроннолучевая  трубка; 7 — контролируемое изделие

Задающий генератор, питаемый переменным током, вырабатывает электрические  колебания, передаваемые на генератор  импульсов и пьезоэлектрический щуп. В последнем высокочастотные  электрические колебания преобразуются  в механические колебания ультразвуковой частоты и посылаются в контролируемое изделие. В интервалах между отдельными посылами высокочастотных импульсов  пьезоэлектрический щуп при помощи электронного коммутатора подключается к приемному усилителю, который  усиливает полученные от щупа отраженные колебания и направляет их на экран  электроннолучевой трубки. Таким  образом, пьезоэлектрический щуп попеременно  работает как излучатель и приемник ультразвуковых волн.

Генератор развертки обеспечивает развертку электронного луча трубки, который прочерчивает на экране электроннолучевой  трубки светящуюся линию с пиком  начального импульса.

При отсутствии дефекта в контролируемом изделии импульс дойдет до нижней поверхности изделия, отразится  от нее и возвратится в пьезоэлектрический щуп. В нем механические колебания  ультразвуковой частоты снова преобразуются  в высокочастотные электрические  колебания, усиливаются в приемном усилителе и подаются на отклоняющие  пластины электроннолучевой трубки. При этом на экране возникает второй пик донного импульса (как бы отраженного  от дна изделия).

Если на пути прохождения ультразвука  встретится дефект, то часть волн отразится  от него раньше, чем донный сигнал достигнет  пьезоэлектрического щупа. Эта часть  волн усиливается приемным усилителем, подается на электроннолучевую трубку и на ее экране между начальным и донным импульсами возникнет пик импульса от дефекта.

Благодаря синхронной работе генератора развертки луча, генератора импульсов  и других устройств дефектоскопа взаимное расположение импульсов на экране электроннолучевой трубки характеризует  глубину расположения дефекта. Расположив на экране трубки масштабные метки  времени, можно сравнительно точно  определить глубину залегания дефекта.

Методика ультразвукового контроля

Перед началом ультразвукового  контроля зачищают поверхность сварного соединения на расстоянии 50—80 мм с  каждой стороны шва, удаляя брызги металла, остатки шлака и окалину. Зачистку выполняют ручной шлифовальной машинкой, а при необходимости еще и  напильником или наждачной шкуркой.

Чтобы обеспечить акустический контакт  между щупом-искателем и изделием, зачищенную поверхность металла  непосредственно перед контролем  тщательно протирают и наносят  на нее слой контактной смазки. В  качестве смазки применяют автол  марок 6, 10, 18, компрессорное, трансформаторное или машинное масло.

Затем проверяют правильность показаний  дефектоскопа на эталонах сварных швов с заранее определенными дефектами.

Контроль стыковых соединений проводят путем поочередной установки  щупа по обеим сторонам проверяемого шва.

Рис. 4. Схема проведения ультразвукового контроля

а — перемещение призматического  щупа по поверхности изделия; б —  контроль прямым лучом; в — контроль отраженным лучом

В процессе контроля щуп-искатель плавно перемещают вдоль обеих сторон шва  по зигзагообразной линии (рис. 4, а), систематически поворачивая его на 5—10° в обе стороны для выявления различно расположенных дефектов.

Прозвучивание производят как прямым (рис. 4, б), так и отраженным (рис. 4, в) лучом. Стыковые соединения при толщине металла более 20 мм обычно проверяют прямым лучом. При толщине металла менее 20 мм усиление шва не дает возможности установить щуп так, чтобы ультразвуковой луч проходил через корень шва. В этих случаях контроль осуществляют однократно или двукратно отраженными лучами. При толщине металла менее 8 мм его прозвучивают многократно отраженным лучом.