Ультразвуковой контроль. Ультразвуковая дефектоскопия

По  характеру взаимодействия с объектом различают пассивный и активный методы. Пассивный акустический метод предусматривает регистрацию упругих волн, возникающих в самом объекте. Шумы работающего механизма позволяют судить о исправности или неисправности механизма и даже о характере неисправности. Этот пассивный метод акустического контроля называется шумовибрационным. Многие машины снабжают датчиками, регистрирующими уровень вибрации определенных узлов и прогнозирующими их работоспособность. Это вибрационный метод контроля или диагностики.

Перестройка структуры металла, вызываемая движением  групп дислокаций, возникновением и  развитием трещин, аллотропическими превращениями в кристаллической  решетке, сопровождается появлением упругих волн ультразвукового (реже звукового) диапазона. На использовании этих волн основан метод акустической эмиссии. Используя такие информативные параметры, как количество сигналов в единицу времени, их частота, амплитудное распределение, локация места возникновения упругих волн, судят о состоянии материала, проходящих в нем изменениях, прогнозируют работоспособность конструкции.

Активные ультразвуковые методы разнообразнее по схемам применения и получили гораздо более широкое  распространение. Для контроля используют стоячие волны (вынужденные или  свободные колебания объекта контроля или его части), бегущие волны по схемам прохождения и отражения. Методы колебаний используют для измерения толщин при одностороннем доступе и контроля свойств материалов (модуля упругости, коэффициента затухания). Информативным параметром служат частоты свободных или вынужденных колебаний и их амплитуды. Используют также метод, основанный на измерении режима колебаний преобразователя, соприкасающегося с объектом (импедансный метод). По амплитудам и резонансным частотам такого преобразователя (часто имеющего вид стержня) судят о твердости материала изделия, податливости (упругому импендансу) его поверхности. Податливость, в частности, улучшается под влиянием дефектов, близких к поверхности изделия.

 

 

6. СУЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЭХО-МЕТОДОМ

 

 

Ультразвуковая дефектоскопия – комплекс методов контроля, использующих упругие колебания ультразвукового диапазона [1]. Она основана на свойстве упругих волн распространяться в однородном твердом теле и на его плоских или кривых поверхностях в виде лучей прямолинейно и отражаться от границ тела или нарушений сплошности, а также на свойстве упругих волн рассеиваться и поглощаться структурными составляющими контролируемых объектов.

Эхо-метод  является наиболее распространенным методом  ультразвуковой дефектоскопии, применяемым  для контроля металлических изделий, в том числе крупногабаритных и сложной формы. Контроль проводят различными волнами при одностороннем доступе к объекту контактным или иммерсионным способами.

Эхо-метод  основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов УЗК  и регистрации интенсивности  и времени прихода сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия.

УЗК вводят в изделие, как правило, с одной стороны совмещенным преобразователем. Излучаемые импульсы УЗК называют зондирующими. Их посылают в контролируемое изделие один за другим через определенные промежутки времени – паузы или интервалы. Периодом импульсов T называется время, прошедшее от начала действия одного импульса до начала действия следующего. Период равен сумме длительностей импульса t и паузы t.

 

 

 

Схема прозвучивания изделия эхо-методом  продольными УЗК

 

1 – изделие, 2 – совмещенный преобразователь, 3 – дефект, 4 – зондирующий импульс УЗК, 5 – донный сигнал, 6 – промежуточный сигнал.

Рисунок 3

Зондирующий импульс УЗК, пройдя через металл, отражается от противоположной поверхности  изделия и, возвращаясь, частично попадает на преобразователь. На экране возникает  донный (концевой) сигнал. При наличии дефекта импульс УЗК отразится от него раньше, чем от противоположной поверхности детали. Между начальным и донным (концевым) сигналами возникает промежуточный сигнал. Если дефект полностью перекрывает путь ультразвуковому пучку, то на экране наблюдается только начальный сигнал и сигнал от  дефекта. На экране строится график, по горизонтальной оси которого отложено время, пропорциональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной – интенсивность отраженного от дефекта сигнала, зависящая от его размеров и ориентировки относительно лучей пучка УЗК.

 

 

7. МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

 

 

Выбор методики являются важной задачей, от правильного решения которой  зависит надежность ультразвукового  контроля [3]. Приступая к разработке методики, необходимо изучить характеристики контролируемого изделия, материала, из которого оно изготовлено, и дефектов, подлежащих обнаружению. К характеристикам контролируемого изделия относятся форма, размеры, технология изготовления, состояние поверхности, наличие припусков на термообработку, условия нагружения в эксплуатации. К характеристикам материала относятся степень деформации, макроструктура, термическая обработка, плотность, степень упругой анизотропии и акустические характеристики (скорость распространения УЗК, удельное акустическое сопротивление, коэффициенты рассеяния и затухания УЗК, уровень структурной реверберации). К характеристикам дефекта относятся тип, размеры, место и глубина залегания, ориентировка относительно поверхностей изделия и растягивающих напряжений, действующих на него в эксплуатации.

При составлении методики должны быть выбраны  частота и вид УЗК, направление  их распространения в изделии; тип  преобразователя, места установки  его на изделии и схема сканирования; вид акустического контакта; чувствительность и настройка дефектоскопа, регистрация и способы расшифровки показаний дефектоскопа.

 

 

7.1. Выбор частоты УЗК

 

 

Правильный  выбор частоты обеспечивает необходимую  чувствительность ультразвукового  контроля. Чем выше частота, тем меньше длина УЗК в контролируемом изделии и тем лучше условия отражения их от дефектов. Повышение частоты прозвучивания увеличивает направленность излучения и приема. При этом возрастает отношение отраженной от дефекта энергии к общей энергии, вводимой в изделие, что также способствует повышению чувствительности контроля. Однако с увеличением частоты повышается коэффициент затухания УЗК в металле, ухудшаются условия их прохождения через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей металла, не являющихся дефектами.

Частота колебаний при контроле определяется в основном коэффициентом затухания, уровнем структурной реверберации металла и габаритами контролируемого  изделия. Зная эти характеристики, можно  оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях энергии на рассеяние и поглощение ее зернами металла. Для контроля изделий на наличие дефектов, ориентированных в металле под углом к поверхности ввода УЗК, применяются сдвиговые волны. При контроле изделий сдвиговыми волнами возможны два случая: ввод УЗК через плоскую поверхность изделия преобразователем с плоской контактной поверхностью и через кривую поверхность изделия преобразователем с плоской или кривой (по форме изделия) контактной поверхностью. В первом случае при a = a_КР в металле возбуждаются несколько видов волн, распространяющихся под различными углами. Сдвиговые волны эффективно применяются для контроля рельсов, сварных соединений, толстостенных труб, изделий сложной формы.

 

 

 

 

 

 

7.2. Ввод и прием ультразвуковых волн

 

 

Ультразвуковые  волны вводят в контролируемое изделие  и принимают отраженные сигналы бесконтактным, контактным сухим (без промежуточной жидкости), контактным через тонкий слой жидкости, струйным и иммерсионным способами.

При контактном способе преобразователь  прижимают к поверхности изделия. Возбужденные УЗК от пьезоэлемента  распространяются в металле в  виде направленного пучка лучей. Если контроль ведется в звуковом диапазоне, то преобразователь и изделие обычно контактируют без смазки (сухой контакт). Когда контроль осуществляется в ультразвуковом диапазоне, для ликвидации возможного воздушного зазора между преобразователем и изделием помещают промежуточную среду – тонкий слой жидкости. Такой зазор может быть даже при очень гладкой поверхности (из-за микронеровностей и шероховатости), благодаря чему УЗК не полностью проходят через границу преобразователь – изделие, и чувствительность контроля резко падает.

Жидкость, применяемая  в качестве контактной среды, должна хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность преобразователя, создавать между ними тонкий равномерный слой, не стекать слишком быстро с поверхности, быть однородной, не содержать пузырьков воздуха или твердых частиц, не быть токсичной и не вызывать коррозии изделий. В качестве контактной среды применяют различные минеральные масла, глицерин, воду и другие жидкости. Выбирая контактную среду, следует помнить, что вода обладает недостаточной вязкостью и смачивающей способностью и может вызвать коррозию контролируемого изделия. Поэтому в воду добавляют поверхностно-активные вещества, улучшающие ее смачивающую способность, и вещества, уменьшающие ее способность вызывать коррозию. Высоковязкие минеральные масла применяются при контроле вертикально расположенных поверхностей, поверхностей со значительной шероховатостью, а также в тех случаях, когда температура изделия или окружающего воздуха выше 20°C. Маловязкие масла обычно применяются при контроле деталей в зимних условиях при отрицательных температурах окружающего воздуха (при контроле вне помещения).

При струйном способе между преобразователем и изделием создается зазор, в  который непрерывно подается контактная жидкость. В этом случае минимальная толщина слоя жидкости задается ограничителем, создающим между преобразователем и изделием определенный зазор. Этот способ акустической связи используется, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.

При иммерсионном способе акустическая связь между преобразователем и изделием создается значительный слой жидкости. Для этого преобразователь и изделие полностью погружаются в ванну с водой. Так как скорость распространения продольных волн в воде примерно в четыре раза меньше, чем в металлах, то расстояние от преобразователя до передней поверхности изделия должно быть больше четверти толщины изделия. Иначе вторично отраженный сигнал от передней поверхности изделия будет виден на экране левее донного, что затруднит расшифровку результатов контроля. Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с контактным: высокую стабильность излучения и приема УЗК за счет постоянства акустической связи между преобразователем и изделием; отсутствие износа преобразователя, так как при контроле между преобразователем и изделием нет трения; возможность контроля изделий с грубо обработанной, корродированной или защищенной покрытием поверхностью без предварительной подготовки. Кроме того, этот способ позволяет автоматизировать контрольные операции, что существенно повышает производительность контроля.

 

 

7.3. Мертвые зоны и способы их сокращения

 

 

Важной  характеристикой чувствительности ультразвукового контроля является размер мертвой зоны. Наличие мертвой  зоны – основной недостаток эхо-метода, который в некоторых случаях ограничивает его применение, снижает надежность и эффективность контроля.

Мертвая зона представляет собой неконтролируемый поверхностный слой, в котором  сигнал от дефекта накладывается  на зондирующий импульс. Наличие  большой мертвой зоны нежелательно, так как приходится увеличивать припуск на обработку изделия и повышать, таким образом, стоимость изготовления. Величина мертвой зоны для прямых преобразователей составляет 40 мм при f=0.7 МГц, 15 мм при f=1.5 МГц, 6-8 мм при f=2.5 МГц и 5-6 мм при f=4-5 МГц.

Одним из путей повышения разрешающей  способности и сокращения мертвой  зоны является уменьшение длительности зондирующего импульса путем механического демпфирования пьезоэлемента преобразователя, электрической компенсации колебаний пьезоэлемента в режиме излучения и т.д. Механическое демпфирование заключается в том, что к пьезоэлементу приклеивают массивный демпфер, жесткая связь с которым приводит к тому, что после действия возбуждающего колебания последнего быстро затухают. Однако при таком демпфировании снижается добротность колебательного контура и мощность возбуждаемых УЗК.

 

 

7.4. Преобразователи

 

 

В современных  ультразвуковых дефектоскопах применяются  преобразователи, рассчитанные на работу по контактному и иммерсионному  способам, с возбуждением в контролируемом изделии преимущественно продольных, сдвиговых, поверхностных и нормальных волн. По конструктивному исполнению преобразователи бывают прямыми и наклонными, раздельными, совмещенными и раздельно-совмещенными, с плоской или фигурной контактной поверхностью. Они могут посылать УЗК в изделие по нормали к его поверхности, под углом к нормали или по самой поверхности.

Все преобразователи имеют следующие  элементы: корпус, пьезоэлемент, электроды, демпфер, защитное донышко и контактное устройство. В преобразователь могут входить дополнительные элементы для стабилизации силы его прижатия к поверхности контролируемого изделия, подачи контактной среды, изменения угла наклона пьезоэлемента, фиксирования преобразователя относительно детали и т. п.

Пьезоэлемент  является одним из основных элементов  преобразователя. Он изготавливается из естественных или искусственных пьезоэлектрических материалов – сегнетоэлектриков. Известно, что мощность излучаемых УЗК пропорциональна площади пьезоэлемента. Поэтому для повышения чувствительности контроля эту площадь стремятся увеличить. Иногда размеры пьезоэлемента увеличивают с целью повышения производительности контроля. Так при контроле листового материала выгодно иметь широкозахватные преобразователи, позволяющие прозвучивать большие площади, чем обычными преобразователями. Однако в некоторых случаях желательно иметь габариты преобразователя, а, следовательно, и пьезоэлемента минимальными, например, при контроле небольших деталей или изделий, имеющих сложную конфигурацию. От диаметра пьезоэлемента существенно зависит протяженность ближней зоны, величина угла расхождения пучка УЗК и диаграмма направленности. Прямые преобразователи рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии продольных волн и  предназначены в основном для обнаружения глубинных дефектов в изделиях простой геометрической формы, имеющих плоские участки для установки преобразователя. Наклонные преобразователи рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии УЗК с преобладанием (в зависимости от цели контроля) поверхностных, нормальных или сдвиговых волн, распространяющихся под различными углами к нормали, и предназначены для обнаружения глубинных, подповерхностных и поверхностных дефектов.