Приборы и методы акустического контроля

В зависимости от направления волн в кристалле скорость звука существенно меняется [10]: до ± 15 % для продольных волн; до± 35 % для поперечных волн с вертикальной поляризацией; до± 20 % для поперечных волн с горизонтальной поляризацией. Меняется также коэффициент затухания волн. Вследствие транскристаллитной структуры изменение акустических свойств наблюдают для всего наплавленного металла шва. Он весь становится анизотропным. Это существенно отличает такой шов от изотропной (в большом объеме) крупнозернистой среды со случайной ориентацией зерен.

      Анизотропия сварного шва приводит к тому, что направление вектора фазовой скорости, задаваемой углом призмы ПЭП, отличается от направления вектора групповой скорости, которая определяет направления распространения импульса. В результате, возникает рефракция, направление лучей искривляется (лучи отклоняются в сторону максимального значения фазовой скорости), пучок лучей деформируется рисунок 2.2: в области максимального значения фазовой скорости концентрация энергии уменьшается, а в области минимального значения - увеличивается. Это очень мешает определению координат и размеров дефектов (как по амплитудному признаку, так и по перемещению преобразователя), вызывает появление ложных донных сигналов. Направление лучей к донной поверхности вызывает появление отраженных от нее ложных сигналов.

 

Рисунок 2.2 - Изменение  направление лучей в аустенитном  сварном шве: а) продольная волна; б) вертикально; в) горизонтально поляризованные

поперечные  волны

 

В процессе УЗ - контроля аустенитных  сварных швов на той же чувствительности, на которой производится контроль сварных соединений перлитных сталей, фиксируется много ложных сигналов, отношение полезный сигнал/помеха часто близко к единице или меньше ее, затухание ультразвука велико. Коэффициент затухания продольных волн 0,1 ...0,45 дБ/мм. В ряде случаев контроль оказывается невозможным из-за того, что УЗ-волны, сильно затухая и рефрагируя не проникают в металл шва.

Основными факторами, влияющими на прохождение и рассеяние УЗ-волн в аустенитном сварном шве, являются: размер зерна (точнее, размеры кристаллов аустенита), направленности роста кристаллов аустенита, содержание феррита и распределение его по сечению шва, содержание карбидов и их распределение, интерметаллиды, микрорыхлоты и микротрещины, размер зерна в околошовной зоне (зоне термического влияния). Рассеяние ультразвука при контроле аустенитных сварных швов происходит на границах кристаллитов и на границе основного и наплавленного металла. Например, интенсивные сигналы наблюдают от двугранного угла, образуемого границей разделки основного и наплавленного металла и поверхностью соединения.

Порог чувствительности (т.е. минимальную  величину фиксируемого искусственного отражателя) при высоком уровне структурных помех также снижают тремя путями. Первый заключается в выборе оптимальных параметров контроля, второй - в применении статистических методов обнаружения сигналов на фоне структурных помех, третий - в компьютерной обработке сигналов и помех. Применяют PC и фокусирующие преобразователи, продольные волны, так как затухание для них в несколько раз меньше, чем для поперечных, а также меньше анизотропия рисунок 2.2, а. Перспективно также применение поперечных волн с горизонтальной поляризацией, для которых анизотропия мала рисунок 2.2, в, но их можно возбудить и принять, как правило, ЭМА-способом.

Для дефектоскопии аустенитных  сварных швов рекомендуются способы контроля, приведены в таблице 2.1. При однопроходной сварке швов толщиной 10 мм и менее происходит быстрое остывание расплавленного металла, что способствует измельчению зерен. В результате толщины до 10 мм часто удается контролировать сильно демпфированными наклонными преобразователями поперечных SV-волн. Контроль соединений труб проводят притертым совмещенным или РС-преобразователями поперечных волн с углом ввода 70 + 5 ° на частоте 5 МГц.

Обычно контролю подвергают только корневую часть шва, прозвучивание которой осуществляют прямым лучом. Необходимо обращать внимание на возможную вариацию скорости в основном металле, которая может достигать 10%. Это существенно изменяет угол ввода. Рекомендуется выполнять измерение скорости перед началом контроля и корректировать угол призмы преобразователя. Если измерение скорости поперечных волн с_t затруднительно, можно измерить скорость продольных волн c_l и рассчитать по формуле c_t = 0,547 с_l .

 

Таблица 2.1 - Способы  УЗ-контроля аустенитных сварных  швов

Способ контроля	Диапазон толщин, мм	Частота, МГц	Угол ввода	Особенности контроля
Поперечные  волны	2...10	5,0	70...75	Обычный или  специальный    РС-преобразователь
Продольные  волны	10 и более	1,8...2,5	50...70	Специальный РС-преобразователь
Двухчастотный способ	6...40	6...40	60...70	Специальная аппаратура
Акустическая голография	10...60	2,5	45...70	Специальная аппаратура

 

Толщины более 10...20 мм контролируют продольными  и головными волнами, хотя некоторые  виды соединений удается контролировать поперечными волнами. Использованию продольных волн мешает присутствие поперечных волн, возбуждаемых одновременно с продольными и возникающих в результате трансформации продольных волн при отражениях. Это накладывает на методику контроля продольными волнами ряд ограничений. Необходимо точно стробировать зону контроля, чтобы выделить время прихода импульсов продольных волн. Нельзя пользоваться однократно отраженным лучом для контроля верхней части шва, так как при отражении от нижней поверхности соединения продольные волны в значительной степени трансформируются в поперечные. Приходится защищать верхний валик, чтобы проверить весь металл шва. По этой же причине для продольных волн слабо проявляется угловой эффект, помогающий обнаруживать дефекты вблизи наружной и внутренней поверхностей. Для риски глубиной 2 мм и угла ввода 45 ° коэффициент G для продольных волн в 9 раз меньше, чем для поперечных. Контроль продольными (или поперечными) волнами наклонными преобразователями выполняют, перемещая преобразователи по основному и наплавленному металлу, направленными поперек шва с двух сторон от него, а также вдоль оси шва для проверки на поперечные трещины. При невозможности доступа контроль проводят с одной стороны шва. Шаг сканирования - не более половины размера пьезопреобразователя a/2. Прозвучивают наплавленный металл шва и зоны термического влияния. Контроль головными волнами проводят, направляя волны поперек оси шва. Преобразователь перемещают по наплавленному металлу и по основному металлу на расстоянии до 20 ...25 мм от кромок. Экран между излучателем и приемником должен находиться в положении, перпендикулярном оси шва. Одновременно с наблюдением за появлением эхо сигналов от дефектов наблюдают за ослаблением донного сигнала (зеркально-теневой метод). Признаком дефекта является ослабление донного сигнала до уровня фиксации эхометода. Контроль зеркально-теневым методом выполняют только при возможности получения донного сигнала на бездефектном ОК.

Для найденных несплошностей определяют координаты и минимальную амплитуду эхосигнала. Ее сравнивают с максимальной амплитудой эхосигнала от бокового отверстия, наиболее близко к несплошности по глубине залегания и траектории УЗ-волн (через наплавленный металл или через основной металл).

Если в процессе контроля какого либо участка сварного шва наблюдается высокий уровень сигналов с характерными признаками структурных помех, то его проверяют на контролепригодность. Если участок признается неконтролепригодным, то в заключении по результатам контроля отмечается его местоположение и длина. [10]

     Одним из перспективных способов контроля аустенитных сварных швов является двухчастотный [10]. Дефектами считаются только отражатели, дающие эхо-сигнал на двух частотах, отличающихся в 1,5 раза. Для реализации этого способа необходимы аппаратура и преобразователи, обеспечивающие требуемую вариацию частоты без смены преобразователя.

Для расширения возможности контроля аустенитных сварных соединений используется явление трансформации волн [15]. При угле ввода продольной волны а, = 64° - 70° образуется интенсивная поперечная волна (рис. 2.3 а).

 

Рисунок 2.3 - Контроль шва с трансформацией волн: 0 - точка ввода преобразователя

   

При ее падении на донную поверхность  под углом α_f = 30° происходит практически полная трансформация этой волны в продольную. Продольная волна отражается под углом α_t = 65°. Предположим, что далее продольная волна падает на вертикальный дефект, зеркально отражается от него как продольная волна и принимается тем же преобразователем. Возникает ситуация, когда (как в методе тандем) происходит зеркальное отражение от дна и дефекта, но с трансформацией типов волн, причем излучает и принимает волны один преобразователь. Такой способ называют самотандем. Дефекты выявляются в диапазоне h= (0,2 - 0,8) Н (Н — толщина шва), но лучше всего на глубине 0,63 Н.

При использовании преобразователя  с углом ввода продольной волны 80° -90^о помимо объемной поперечной волны образуется головная волна (рис. 2.3, б). Она выявляет подповерхностные дефекты. Поперечная волна на донной поверхности также частично трансформируется в головную, бегущую вдоль донной поверхности. Она выявляет дефекты вблизи этой поверхности.

      Таким образом в соответствии с конструктивными особенностями заданного объекта его прозвучивание целесообразно будет проводить хордовымпреобразователями продольными волнами для выявления дефектов в нижней части шва (  00.00.000 Д2  ) и наклонным преобразовтелем головным волнами для п выявления дефектов в верхней части шва (00.00.000 Д3).

 

     Сравнительный анализ известных эхо-дефектоскопов для УЗ-контроля сварных швов.

 

   В настоящее время зарубежной и отечественной промышленностью разработано большое количество моделей дефектоскопов, среди которых есть как универсальные, так и специальные.

Дефектоскоп ультразвуковой УД4-Т является универсальным  прибором томографиком, который предназначен для контроля сплошности сварных соединений листовых элементов, труб, котлов, рельсов, колесных пар, деталей подвижного состава и других металлоконструкций, а также измерения толщин, построения томографии (В-скан и D-скан). По показателю эффективность/стоимость прибор превосходит отечественные и зарубежные дефектоскопы общего назначения. Ультразвуковой дефектоскоп УД4-Т предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материалов, готовых изделий, полуфабрикатов и сварных (паяных) соединений, измерения глубины и координат залегания дефектов, измерения отношений амплитуд сигналов, отражённых от дефектов [12].

Многофункциональный дефектоскоп  нового поколения

-Частотный диапазон с плавной регулировкой от 0,4 до 10 МГц;

-Два независимо - управляемых строба (А и В);

-Автоматическое или ручное построение кривой ВРЧ (до 256 точек);

-Два вида ценка конфигурации и размеров дефектов по томографическому изображению;

-Автоматическое  определение скорости УЗК и задержки в призме;

-Система слежения за акустоконтактом.

Эксплуатационные данные: 
Питание: 220V/ 50Hz/10 W  
Батарея: Li-on, мониторинг, автоподзарядка  
Цветной TFT дисплей: 320x240 dpi  
Интерфейс: RS 232, IrdA, Ethernet 
Работа от батареи: не менее 10ч  
Размеры: 125x210x85 мм  
Масса: с батареей 2,2 кг  
Климатика: IP54, -20/+50 °С.

    Дефектоскоп ультразвуковой  УД2-102 «ПЕЛЕНГ» предназначен для  контроля сплошности различных металлоконструкций, в том числе:

• стыковых, тавровых, угловых, нахлесточных и др. типов сварных соединений листовых элементов, труб, котлов и проч.;
• основного металла (выявление расслоений, трещин неметаллических включений и др. дефектов);
• сварных стыков рельсов;
• болтовых стыков и отдельных сечений рельсов, уложенных на пути.

В отличие от большинства эксплуатируемых  средств ручного контроля в дефектоскопе предусмотрено:

• развертка типа А и типа В;
• энергонезависимая память предварительных настроек и текущих результатов контроля;
• обнаружение дефектов по двум одновременно принимаемым эхо-сигналам, один из которых от конструктивного отражателя, а второй от дефекта;
• наряду с эхо- и зеркально-теневым методами контроля- зеркальный метод;
• возможность контроля по заранее подготовленным вариантам настройки;
• возможность подключения дефектоскопа к ПК.

Помимо указанных выше характеристик, дефектоскоп УД2-102 обладает диапазоном рабочих частот 0,4-5,0 МГц; значения динамического диапазона амплитудной характеристики - не менее 18 дБ при нелинейности не более 3 дБ, диапазона регулировки усиления (чувствительности) аттенюатором от 0 до 80 дБ с дискретностью 1дБ.

Дефектоскоп имеет ЖК-индикатор для отображения информации, звуковой АСД, позволяет осуществлять временную селекцию сигналов, измерять координаты дефектов, отношения амплитуд сигналов и др.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В, либо от встроенного NiMH аккумулятора, число циклов разряда-заряда которой составляет не менее 800.