Ультразвуковой контроль. Ультразвуковая дефектоскопия

Федеральное агентство  по образованию

ГОУ ВПО Уральский  Государственный технический университет - УПИ

Кафедра термообработки и физики металлов

 

 

 

 

 

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ  КОНТРОЛЬ. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

 

 

 

Реферат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель	А.В. Еланцев
Студент Мт - 547	А.А. Белоусова

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

2006

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ	3
1. ПРИРОДА УЛЬТРАЗВУКА	3
2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН	4
3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН	5
4. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ УЗК НА ГРАНИЦЕ ДВУХ СРЕД	6
5. АКУСТИЧЕСКИЙ  ВИД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ	8
6. СУЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЭХО-МЕТОДОМ	9
7. МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ	10
7.1. Выбор частоты УЗК	11
7.2. Ввод и прием ультразвуковых волн	12
7.3. Мертвые зоны и способы их сокращения	13
7.4. Преобразователи	13
7.5. Эталонирование чувствительности ультразвукового контроля	15
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК	16

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Согласно  ГОСТ 18353-79 в основу классификации  методов неразрушающего контроля положены физические процессы взаимодействия физического  поля или вещества с объектом контроля [2]. С точки зрения физических явлений, на которых они основаны, выделяют девять видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретовый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. Каждый из видов контроля подразделяют на методы по рассмотренным ниже признакам.

Характер  взаимодействия поля или вещества с  объектом. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак  объекта вызывал определенные изменения поля или состояния вещества. Например, наличие несплошности вызывало изменение прошедшего через нее излучения или проникновение в нее вещества. В некоторых случаях используемое для контроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов, связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила, возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролировать химический состав материалов (термоэлектрический эффект).

Первичный информативный параметр – конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время его распространения, количество вещества и т. д.), изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличие несплошности увеличивает или уменьшает амплитуду прошедшего через нее излучения.

 

 

1. ПРИРОДА  УЛЬТРАЗВУКА

 

 

Ультразвук – упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн [4]. 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.

В зависимости  от упругих свойств среды в  ней могут возникать упругие  волны различных видов, отличающиеся направлением смещения колеблющихся частиц. В связи с этим различаются  продольные, сдвиговые, поверхностные, нормальные и другие волны.

Если  колебания частиц среды совпадают  с направлением распространения  волны, то волна называется продольной. Такая волна может быть возбуждена в твердом теле, жидкой и газообразной средах. Если колебания частиц среды перпендикулярны направлению распространения волны, то волна называется сдвиговой (поперечной). Она может быть возбуждена только в твердом теле, которое способно упруго сопротивляться деформации сдвига. Продольные и сдвиговые волны могут возникать в чистом виде только в неограниченной среде или в теле, размеры которого во всех направлениях значительно превышают длину волны. На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны.

 

 

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, магнитострикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. 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.

Основными характеристиками пьезоэлемента являются частотный  спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.

 

 

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ  УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

 

 

Распространение ультразвуковых волн происходит по законам  геометрической (лучевой) акустики.

 

Схема звукового поля (а) и диаграммы направленности (б) дискового излучателя

 

Рисунок 1

Половина  угла раствора при вершине конуса, в котором почти полностью  концентрируется генерируемая излучателем  энергия, может быть определена из соотношения sinq=1.22l/D, где q – угол между осью пучка УЗК и крайним лучом, °.

Однако  в пределах этого конуса интенсивность  ультразвука неодинакова: она уменьшается  по направлению от оси пучка к  периферии. Это свойство излучателя характеризуется его диаграммой направленности, представляющей собой полярную диаграмму изменения звукового поля (интенсивности или давления) в зависимости от направления. Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет ненаправленным. Если размеры излучателя больше длины волны, то излучаемая энергия концентрируется преимущественно по одному направлению, совпадающему с направлением нормали к излучаемой поверхности.

Направленность  излучателей определяется экспериментально с помощью относительных измерений. Для некоторых простейших случаев могут быть рассчитаны характеристики направленности излучателей. На рис. 1, б показана полярная диаграмма направленности излучения – приема для дискового излучателя.

По  мере удаления от излучателя амплитуда  колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, приводящих к постепенному затуханию колебаний при их распространении. Затухание УЗК происходит по экспоненциальному закону

A = A₀e^-dz,

где z – расстояние, пройденное волной, м;

d - коэффициент затухания, 1/м.

Коэффициенты  затухания различны для различных  материалов и складываются из коэффициентов  поглощения и рассеяния: d = d_пог + d_рас. В однородной изотропной упругой среде и в монокристаллах металлов затухание определяется поглощением ультразвука. При этом энергия упругих колебаний переходит в тепловую. В поликристаллической среде и в металлах, обладающих упругой анизотропией, затухание определяется рассеянием упругих колебаний зернами металла. Это приводит к дополнительному уменьшению интенсивности волн в направлении их распространения.

При распространении  упругих волн в металлах возможна реверберация – постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла). Возникновение структурной реверберации может быть объяснено анизотропией упругих свойств зерен металла, благодаря чему ультразвук при переходе из одного зерна в другое претерпевает отражение на их границах, преломление при переходе через границы и постепенное рассеяние во все стороны.

 

 

4. ОТРАЖЕНИЕ  И ПРЕЛОМЛЕНИЕ УЗК НА ГРАНИЦЕ  РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД

 

 

Законы  отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической акустики. Если продольная волна, распространяющаяся в некоторой среде I, встречает на своем пути среду II с другими акустическими свойствами, то часть энергии отражается от границы раздела в первой среде, а оставшаяся часть проходит в новую среду. При этом отраженные волны распространяются от границы раздела в первой среде, а прошедшие – во второй. Пусть плоская упругая продольная волна, распространяясь со скоростью C_I в однородной среде с плотностью r_I , доходит до границы со второй средой с плотностью r_II и скоростью распространения C_II . Условимся углом n падения ультразвукового луча называть угол, образованный лучтом и нормалью к поверхности в точке падения луча.

Если  упругая волна падает перпендикулярно  на плоскую границу раздела двух сред (a=0), то часть ее энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем проходящая и отраженная волны будут того же вида, что и волна падающая, и направлены также перпендикулярно к границе раздела (рис. 2, а). Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами определяется коэффициентами отражения и прохождения.

Схема прохождения упругих волн на плоской границе двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б) падении лучей

 

П – пьезоэлемент, I – первая среда, II – вторая среда.

Рисунок 2

Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивностей отраженной и падающей волн. Для  рассматриваемого случая:

R = (r_IIC_II - r_IC_I)/(r_IIC_II + r_IC_I),

где r_IC_I и r_IIC_II – удельные акустические сопротивления I и II сред.

Коэффициентом прохождения D называется отношение  интенсивностей прошедшей и падающей волн. Так как сумма коэффициентов  отражения и прохождения при нормальном падении равна 1, то коэффициент прохождения можно определить из уравнения

D = 1 – R.

Если  продольная упругая волна L падает на границу раздела двух твердых  сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные L¢L² и сдвиговые S¢S² волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами (рис. 2, б). На практике для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируемой деталью располагают призму из органического стекла. В этом случае угол a между падающим лучом LO и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке O называется углом падения, углы b¢ и g¢ – углами отражения, b и g – углами преломления (или углами ввода) соответственно продольной и сдвиговой волн.

Законы  отражения и преломления упругих  волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:

• отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения;
• угол отражения продольной волны равен углу падения;
• при r_IC_I < r_IIC_II углы падения, отражения и преломления связаны отношением sina/С_ПРI = sing¢/C_СДВI = sinb/C_ПРII = sing/C_СДВII , где С_ПРI, C_СДВI, C_ПРII и C_СДВII – скорости распространения продольных и сдвиговых волн в I и II средах соответственно.

При увеличении угла падения a продольной волны L углы b и g также увеличиваются и при некотором значении a = a_КРI (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды II (рис. 2, б). При дальнейшем увеличении угла падения до a_КРII (второй критический угол) по поверхности распространяются преломленные сдвиговые волны (рис. 2, г).

Свойства  упругих волн используют при конструировании наклонных преобразователей для контроля изделий сдвиговыми и поверхностными волнами. В них УЗК преломляются с помощью клинообразной призмы, изготовленной из органического стекла, играющей роль среды I, а средой II является контролируемое изделие. Зная скорость распространения УЗК в призме и контролируемом изделии, можно рассчитать значения углов распространения продольных и сдвиговых волн в среде II в зависимости от угла a.

 

 

5. АКУСТИЧЕСКИЙ  ВИД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

 

 

При данном виде неразрушающего контроля регистрируют упругие волны, параметры которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия и другие [2]. Акустические свойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, что акустические волны отражаются от тончайших зазоров (трещин, непроваров) шириной 10^-6 – 10^-4 мм. Этот вид контроля применим ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам, пластмассам, керамике, бетону и т.д.