6.2 Определение размеров дефектов

Основными характеристиками дефектов, определяемых при УЗК, являются:

• диаметр (площадь);

• координаты (место и глубина залегания)

• протяженность (длина или высота);

При измерении диаметра (площади) реального дефекта ставится задача найти такой искусственный дефект (отражатель) правильной формы, залегающий на той же глубине, который дает эхо-сигнал такой же амплитуды, что и реальный дефект.

Искусственные дефекты (отражатели) подразделяют на три группы:

• компакт­ные (плоскодонные отверстия);

• протяженные в одном на­правлении (паз, длинный цилиндр);

• протяженные в двух направлениях (плоскость, вогнутые поверхности).

Отра­жатель считают протяженным, если его размер больше ширины эффективно взаимодействующего с ним поля преобразователя.

Каждой группе отражателей соответствует своя зави­симость амплитуды эхо-сигнала от глубины залегания r и размера дефекта d.

Для плоскодонного отверстия, чаще других используемого в качестве искусственного отражателя, раз­работаны удобные способы расчета максимальных эхо­сигналов, применяемые для широкого диапазона диаметров d.

Найденный диаметр такого плоскодонного отверстия, соответствующего эхо-сигналу дефекта называют эквивалентным диаметром дефекта. Площадь такого отверстия называют эквивалентной площадью дефекта. Отверстия выполняют в специальных (контрольных) образцах, выполненных из того же материала, что и объект контроля.

Различают теоретиче­ские модели дефектов и искусственные дефекты (искус­ственные отражатели), которые изготовляют на практи­ке. Определение эквивалентного диаметра может также производиться по заранее составленным по диаграммам и графикам.

Амплитуды максималь­ных эхо-сигналов от плоскодонных отверстий определяют с помощью семейства кривых, связывающих величины амплитуда - расстоя­ние - диаметр (АРД- диаграммы).

На рис. 6.3 изображена безразмерная АРД- диаграмма с линейным масштабом по оси абсцисс, на которой отло­жено приведенное расстояние (r / r_б) преобразователь - отражатель (т.е. расстояние r, деленное на длину ближней зоны r_б). Каждая кривая соответствует определенному отношению диаметров отра­жателя и преобразователя d/D.

Заштрихованные области на графи­ках определяют вариацию амплитуды под влиянием фор­мы и длительности импульса.

Для конкретных типов преобразователей строят размерные АРД-диаграммы, в которых на оси абсцисс откладывают расстояние от преобразователя до отража­теля, а параметром является диаметр или площадь отра­жателя.

Чувствительность выражают размером минимально выявляемого искусственного дефекта (обычно - плоско­донного отверстия). Его указывают в технической доку­ментации как уровень фиксации d_ф (контрольный уровень), это размер дефекта который должен выявляться в любом месте объекта контроля.

При поиске дефектов чувствительность завышают от уровня фиксации (обычно на 6 дБ), что определяется как поисковый уровень. В техниче­ской документации указывают также браковочный уро­вень d_бр – размер плоскодонного отверстия, соответствую­щий недопустимому значению амплитуды эхо-сигнала от дефекта. Браковочный уровень обычно устанавливают уменьшением чувствительности от уровня фиксации на 6 дБ.

При обнаружении дефекта с большим уровнем амплитуды эхо-сигнала на поисковом уровне, чувствительность понижают сначала до уровня фиксации d_ф, и если амплитуда превышает его, то проверяют допустимость такого дефекта, снижая чувствительность уже до браковочного уровня. В случае превышения амплитудой браковочного уровня делают вывод о недопустимости данного дефекта.

Частоту ультразвука f выбирают возможно более вы­сокой, но ее снижение бывает необходимым при контро­ле металлов с большим затуханием ультразвука и изде­лий с сильно шероховатой поверхностью.

Длина волны ультразвуковых колебаний:

,

где с – скорость звука в материале; f –частота колебаний преобразователя.

Скорость распространения звука зависит от вида материала объекта контроля и вида волны. Скорость распространения продольных волн в металлах составляет (м/с): для углеродистой стали – 5900, для чугуна – 7200, для алюминия – 6300, для бронзы – 3500.

Рис. 6.3. АРД-диаграмма преобразователя

Рис. 6.4. Параметры контроля эхо-методом

Для уверенного выявления дефектов требуется, чтобы длина УЗ волны была меньше размера выявляемых дефектов , т.е. необходимая частота колебаний преобразователя:

.

Преобразователи обычно имеют частоту колебаний f равную 1;1,5; 2; 2,5; 4; 5; 10 МГц.

Длина ближней зоны для круглого преобразователя диаметром D составляет:

,

где D – диаметр преобразователя.

Длиной мертвой зоны r_min, является расстояние от преобразователя (вглубь объекта контроля), на котором отраженный от дефектов сигнал не фиксируется преобразователем, вследствие его инерционности при переключении в режим приема.

.

Для построения размерной АРД диаграммы на основании безразмерной (рис.6.3), необходимо выбрать несколько значений глубины (r₁, r₂..r_n) в диапазоне значений r_б…H (r_б – длина ближней зоны преобразователя, Н –толщина объекта контроля).

Затем, определяются отношения r₁/r_б, r₂/r_б… r_n/r_б, Н/r_б. Для каждого из них, по безразмерной диаграмме (рис. 6.3), с помощью соответствующих кривых (d/D), находят значения ослабления отраженного эхо-сигнала p/p_0, дБ. В качестве значений (d/D) принимают отношение d_ф/D – для уровня фиксации дефекта и (d/D = ∞) – для донного сигнала, Например, для условной глубины r_n, при соотношении r_n/r_б=12 и d_ф/D =0,25 (рис. 6.3), ослабление амплитуды эхо-сигнала составит около 47дБ.

Полученные значения (r₁, r₂...r_n, Н ) и соответствующие им амплитуды (p₁/p₀, p₂/p_0… p_n/p₀, p_Н/p₀) наносят на размерную диаграмму (рис. 6.5). Значения амплитуды браковочного уровня d_бр наносят выше значений уровня фиксации на 6 дБ.

Настройку чувствительности ультразвукового дефектоскопа осуществляют по величине амплитуды донного сигнала (p_H/p₀). Установив на аттенюаторе прибора значение ослабления донного сигнала (p_H/p₀, дБ), увеличивают вертикальную развертку импульса донного сигнала на экране, примерно на 2/3 высоты экрана дефектоскопа (рис. 6.6). Шкала дефектоскопа, таким образом, оказывается соответствующей по масштабу размерной АРД диаграммы.

Современные дефектоскопы имеют возможность отображать АРД –диаграммы непосредственно на экране монитора или выравнивать амплитуды дефектов на разной глубине по горизонтальной линии, с помощью системы временной регулировки чувствительности (ВРЧ).

Обследование объекта контроля ведут на чувствительности поискового уровня. В случае обнаружения дефекта с большой амплитудой, полученную амплитуду эхо-сигнала сопоставляют с размерной диаграммой, на глубине, соответствующей глубине залегания дефекта r_д и делают вывод о допустимости дефекта или браковке изделия, сравнивая с кривыми d_ф и d_бр (рис. 6.7, 6.8). Дефекты с амплитудой сигналов больше уровня браковки (d_бр) считаются недопустимыми.

При необходимости оценить размер найденного дефекта, сначала, с помощью размерной, или безразмерной АРД-диаграммы определяют его эквивалентный диаметр d_э (интерполяцией значения между ближайшими кривыми диаграммы (рис. 6.7)), а затем рассчитывают эквивалентную S_э и реальную S_р площадь дефекта.

.

,

где К_В –коэффициент выявляемости дефекта.

Коэффициент выявляемости зависит от вида, формы, ориентации дефекта и устанавливается для конкретных видов объектов контроля (для поковок и проката значение К_В лежит в пределах 0,15… 0,4. Для сварочных швов, где форма и ориентация дефектов разнообразны, это значение может составлять 0,01…0,1 [2].

Дефекты имеющие вытянутость (длинные трещины, непровары и т.д.) оценивают также по их условной протяженности – расстоянию между краевыми точками дефекта ΔL (рис. 6.9). Положение краевых точек определяют по одному из признаков:

• ослаблению эхо-сигнала от дефекта до уровня фиксации;

• ослаблению эхо-сигнала от дефекта на 6 (или 20) дБ от его максимального значения.

По условной протяженности дефекты разделяют на компактные и протяженные:

Принадлежность дефекта к компактным или протяженным можно определить, пользуясь специальными безразмерными графиками (рис. 6.10) [2].

Рис. 6.5. Размерная АРД-диаграмма прямого преобразователя		Рис. 6.6. Донный эхо-сигнал на экране дефектоскопа
	Рис. 6.7. Размерная АРД-диаграмма прямого преобразователя		Рис. 6.8. Эхо-сигнал от дефекта на экране дефектоскопа

По вертикальной оси графика откладывается безразмерный показатель N.

,

где r – глубина залегания дефекта, мм.

По горизонтальной оси откладывается величина превышения амплитуды эхо-сигнала от дефекта над уровнем фиксации А_д/А_ф. Если точка пересечения лежит ниже или на кривой (рис. 6.10), то дефект относят к компактным, если выше – к протяженным.

Рис. 6.9. Определение протяженности дефекта

По форме, дефекты различают на плоские (трещины, расслоения и т.п) и объемные (шлаковые поры, проплавы и т.д.). Существует большое количество способов идентификации формы дефектов по косвенным признакам изменения эхо-сигнала.

Рис. 6.10. Определение вида дефекта

Шаг сканирования изделий обычно составляет не более половины диаметра преобразователя: . Скорость сканирования 50 …150 мм/с.