Ультразвуковой контроль

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

1.1 Параметры ультразвуковых  волн

1.2 Затухание ультразвуковых  волн

1.3 Излучатели и приемники  ультразвуковых волн

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Глава 3.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

3.1 Подготовка детали к  проведению контроля

3.2 Подготовка аппаратуры  к проведению контроля

3.3 Оценка результатов  контроля

ЛИТЕРАТУРА

 

ВВЕДЕНИЕ

Колесные пары вагонов  работают в тяжелых условиях эксплуатации, подвергаясь резкопеременным нагрузкам, что способствует зарождению и развитию в их элементах усталостных трещин. Наиболее вероятно появление трещин в подступичной части и в районе галтелей. Трещины, являясь сильными концентраторами напряжений, развиваются  поперек оси, обычно неравномерно по всей ее окружности. Наиболее эффективным  является ультразвуковой контроль осей в условиях деповского и заводского ремонта. Он основан на уникальной способности  ультразвуковых волн глубоко проникать в толщу металла и отражаться от несплошностей.

Ультразвуковой контроль оси более безопасный из методов  неразрушающего контроля, который позволяет  определять внутренние дефекты.

Глава 1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых волн проникать в металл на большую глубину и отражаться от находящихся в нем дефектных участков. В процессе контроля пучок ультразвуковых колебаний от вибрирующей пластины (пьезокристалла) вводится в контролируемый шов. При встрече с дефектным участком (рис. 1) ультразвуковая волна отражается от него и улавливается другой пластиной, которая преобразует ультразвуковые колебания в электрические.

Рис. 1. Ультразвуковой контроль сварного шва: 1 - генератор ультразвуковых колебаний; 2 - пьезокристаллический щуп; 3 - усилитель; 4 - экран дефектоскопа

Эти колебания после усиления подаются на экран электронно-лучевой  трубки дефектоскопа, свидетельствуя в виде импульса о наличии дефектов. При контроле щуп перемещают вдоль  шва, прозвучивая таким образом различные по глубине зоны шва (рис. 1, б). По характеру импульсов судят о протяженности дефектов и глубине их залегания.

К преимуществам ультразвуковой дефектоскопии относятся: возможность  обнаружения внутренних дефектов, большая  проникающая способность, высокая  чувствительность, возможность определения  места и размера дефекта. Вместе с тем, метод имеет ряд отрицательных  особенностей. К ним относится необходимость специальных методик контроля отдельных типов изделий, высокой чистоты поверхности детали в месте контроля (что особенно затрудняет дефектоскопию наплавленных поверхностей) и др. Поэтому указанным методом контролируются детали, для которых разработаны необходимые технологии, регламентирующие зоны и чувствительность контроля; места ввода ультразвуковых волн в изделие; тип дефектоскопа; тип искательной головки и т.д.

В ультразвуковой дефектоскопии  различают три типа волн:

Продольные волны ( l - волны), называемые волнами растяжения-сжатия, в которых направление смещения частиц параллельно направлению распространения волны; в этих аволнах существуют зоны повышенного и пониженного давления, обозначенные на рис 2 а, зонами разной густоты частиц;

Поперечные волны ( t- волны), в которых смещение частиц ортогонально направлению распространения волны (рис. 2 б).

Продольные волны могут  существовать в любых средах (твердых, жидких, газообразных), в то время  как поперечные волны - только в твердых  средах, обладающих объемной упругостью.

Рисунок 2 - Типы ультразвуковых волн: а - продольная волна; б - поперечная волна; в - поверхностная волна; - поверхностные волны Рэлея

Поверхностные волны (s - волны) - упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхностной, слабо напряженной  границы твердового тела; (рисунок 2, в). Разновидность поверхностной  волны, которая распространяется на границе «твердая среда - газ», называют волной Релея («R» - волна). Она является комбинацией продольных и поперечных волн, ее частицы в приповерхностном слое совершают колебательные движения по эллиптическим траекториям (рисунок 2, г). Большая ось эллипса при  этом перпендикулярна к границе  и совпадает с плоским фронтом  волны. Входящая в R-волну продольная волна затухает с глубиной быстрее, чем поперечная, и поэтому частицы, совершая колебания, движутся по эллипсам с все большей глубиной и более  вытянутым. Полное затухание поверхностной  волны происходит на глубине 1-1,5 л.

1.1 Параметры ультразвуковых  волн

Ультрозвуковые волны  характеризуются следующими основными  параметрами: длиной волны л (м), скоростью  распространения волн С (м/с), колебательной скоростью частиц среды V (м/с), частотой f (Гц).

Главный параметр любой волны - длина волны л. Она равна отрезку  пути, пробегаемому волной за период Т времени, в течение которого происходит полный цикл одного колебания, т.е. л=С.Т. Для продольных волн, например, это некоторое постоянное значение расстояния через которое чередуется зоны сжатия и разрежения, для поперечных - участки сдвига вверх - вниз. Длина волны л - это внутренняя согласованная мера, относительно которой определяются и через которую связаны многие параметры волн, аппаратуры, среды.

Если учесть, что Т=1/f, то л представляется в виде

Это основное соотношение  в теории колебаний. Оно справедливо  для всех волновых процессов. Отметим  важное обстоятельство. Частота f является характеристикой источника колебаний, возбуждающего волну, скорость С - константа материала среды, в которой данная волна движется. В силу этого (2) является физически правильной записью соотношения между л, С и f. Другие математические верные записи формулы (2) ( f=c/ л или с= л.f)самостоятельного физического смысла не имеют.

Длина волн для принятой в МПС частоты 2,5 МГц составляет миллиметры. Поэтому детали размером в десятки миллиметров можно  считать бесконечными, что дает основание  рассматривать существование продольных и поперечных волн раздельным, независимым.

Фронт волны - граница, отделяющая колеблющейся частицы от частиц среды, еще не начинавших колебаться. В зависимости от вида поверхности фронта волны последнюю разделяют на плоскую - возбуждается колеблющейся плоскостью, которая должна быть бесконечной; сферическую - возбуждается точечным источником колебаний; цилиндрическую - возбуждается источником колебаний, представляющим собой длинный цилиндр малого диаметра, например нить.

Плоской волны не существует, так как для ее излучения требуется  бесконечная плоскость и, следовательно, бесконечная мощность, что не возможно. Реальные источники создают сферические  волны, но плоская волна удобна для  анализа и моделирования процессов  ультразвукового контроля. Если использовать точечный источник колебаний, то на большом  расстоянии от него, по крайней мере, превышающем длину волны, сферическую  волну в первом приближении можно  считать плоской.

Колебательная скорость v движения частиц. Ее следует отличать от понятия  скорости. С распространения волны. Если последняя характеризует скорость распространения возбуждения или  определенного состояния среды (сжатия или положения «гребня»), то колебательная  скорость характеризует скорость механического  движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия, т.е. .

Важно понятие акустического  импеданса

Z= сC, (1)

Его называют еще удельным акустическим сопротивлением. Если сопротивление Z имеет большее значение, то среда  называется «жесткой» (акустически  твердой): колебательные скорости V и смещения о частиц малы даже при высоких давлениях. Если же импеданс Z невелик, то среда называется «мягкой» (податливой): даже при малых давлениях Р достигаются значительные колебательные скорости V и смещения о. Таким образом, давление в волне прямо пропорционально акустическому сопротивлению Z и колебательной скорости V движения частиц .

Интенсивность I является энергетическим параметром волны. Она характеризует  количество энергии, которое упругая  волна несет в направлении  своего распространения в единицу  времени 1 с через поперечное сечение  площадью 1 м2 под углом и к его нормали.

1.2 Затухание ультразвуковых  волн

По мере удаления фронта ультразвуковой волны от источника  ее амплитуда, давление и интенсивность  падают и убывают по закону экспоненты, что обусловлено затуханием. Оно  определяется физико-механическими  характеристиками среды и типом  волны и учитывается коэффициентом  затухания д, который складывается из коэффициентов поглощения дП и  рассеяния др, 1/м:

(2)

При рассеянии поток звуковой энергии остается звуковым, но уходит из направленно-распространяющегося  пучка. Металлы, применяемые на практике, имеют зернистую структуру. Размеры  зерен зависят от химического состава, вида механической и термической обработки деталей. Затухание волн в них обуславливается двумя факторами: рефракцией и рассеянием вследствие анизотропии механических свойств. В результате рефракции фронт волны отклоняется от прямолинейного направления распространения, и амплитуда принимаемых сигналов резко падает. Кроме того, волна, падающая на поверхность границы зерна, испытывает частичное отражение и преломление ультразвука и трансформацию, что и определяет механизм рассеяния. Рассеяние в отличие от фракции приводит не только к ослаблению сигнала, но и к образованию шумов. Явление рассеяния тем сильнее, чем больше средний размер зерна по сравнению с длиной ультразвуковой волны.

Явления поглощения и рассеяния  ослабляют ультразвуковую волну  тем сильнее, чем больший путь в среде она проходит.

Отражение, преломление и  трансформация ультразвуковых волн

Если на пути распространения  ультрозвуковой волны встречается  другая среда, то одна часть энергии  проходит во вторую среду, а другая - отражается в первую среду.

На границе раздела  происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация  волн. Преломление - это изменение  направления распространения волны, а трансформация - преобразование (превращение) волны одного типа в другой. Переходы исходного состояния волны в  другие связаны энергетическими  соотношениями, определяемыми, главным  образом, типом падающей волны, углом  ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих  сред.

В общем случае, если волна  падает на границу раздела двух твердых  сред под углом в из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны (рисунок 3): в каждой по две волны продольного и поперечного типа.

Рисунок 3 - Падение ультразвуковой волны на границу раздела двух сред

 

Причем при облучении  продольной «l» - волной образуются отраженные продольная «l1» и поперечная «t1», возникшая в результате явления  трансформации, и две преломленные волны «l2» и «t2», из которых  последняя трансформированная (рисунок 3,а). При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l1» и «t1», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные - «l2» и «t2, где волна продольного типа «l2» также трансформированная (рисунок 3,б).

Углы отражения вe1, вt1 и бe1, бt1 преломления (ввода) отсчитываются  от нормали к границе раздела  в точке падения (ввода), они связаны  между собой и углом падения  в через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике):

(3)

Здесь Ce1, Ct1 скорости продольной и поперечной волн в первой среде;

Ce2, Ct2 - то же, но во второй  среде.

Из соотношения Снеллиуса  следует: для волны одного типа угол отражения равен углу падения; угол отражения волны другого типа, чем падающая, а также углы преломления  волн тем больше, чем выше скорость их распространения.

Частный случай - нормальное падение волны. Это наиболее простая  ситуация, так как в=0 и, следовательно, б=0. Отсюда главная особенность - нет явления трансформации волн, отраженная и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая.

1.3 Излучатели и приемники  ультразвуковых волн

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) служат для излучения и приема акустических (ультразвуковых) волн в  контролируемой среде.

Основной элемент ПЭП - пьезопластина 1, которая приклеена  с одной стороны к демпферу, а с другой - к протектору 3. В  реально существующих ПЭП пьезопластина (ПП) выполнена круглой или прямоугольной формы из пьезокирамики типа ЦТС-19 (цирконата титана свинца). На обе поверхности ПП нанесены тонкие слои серебра 4, к которым присоединены электроды 5 (рисунок 6,а). Демпфер в ПЭП служит для подавления паразитных колебаний, укорочения длительности импульса колебаний и повышения механической прочности ПП. Протектор предназначен для защиты ПП от механических повреждений, обеспечения электрического согласования с выходом генератора и акустического контакта.

Рисунок 6 - Схема пьезоэлектрического  преобразователя

Работа ПЖП основана на явлениях обратного (при излучении) и прямого (при приеме) пьезоэффектов, суть которых состоит в следующем. Если ПП сдавливать или разжимать, то на ее поверхностях возникают электрические  заряды, полярность которых определяется направлением действия сжимающих или  растягивающих сил. Величина заряда прямо пропорциональна силе, т.е. амплитуде упругой волны. Это  прямой пьезоэффект и используется для приема акустических колебаний (рисунок 6,в). Пьезоэффект - явление  обратимое, т.е. если на пластину подавать электрическое напряжение, то в зависимости  от его полярности пьезопластилина будет сжиматься или разжиматься. Это обратный пьезоэффект, используется для излучения акустических колебаний. Например, если на пьезопластину подавать переменное электрическое напряжение, то она, деформируясь в поперечном направлении, будет как бы «колотить» по поверхности ОК, создавая эффект работы «поршня» и возбуждая при этом в ОК продольные волны (рисунок 6, б).

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ