Ультразвуковые методы и средства неразрушающего контроля

Ультразвуковые методы основаны на регистрации пара­метров упругих волн, возбуждаемых и (или) возникающих в контролируемом объекте.

Рисунок 27 – Зоны контроля и датчики установки УЗК.

Ультразвуковыми волнами называются упругие волны с частотами от 2*10⁴ до 10¹³ Гц. Рабочий диапазон используемых волн для задач контроля составляет от 1 до 25 МГц. Верхний предел обусловлен снижением прозрачности боль­шинства материалов. Использование волн с частотами ниже 1 МГц в ряде задач (например, контроль радиоэлектронной аппаратуры) может привести к разрушениям вследствие резонанса компонент исследуемых изделий либо к преждевременному старению.

Основными параметрами среды, определяющими распространение энергии ультразвуковой волны, являются акусти­ческое сопротивление, скорость распространения звука и коэффициент поглощения. Потери на поглощение характе­ризуют материал, сквозь который проходит ультразвук, и, следовательно, несут информацию о физических свойствах этого материала. Отношение интенсивностей прямой и отра­женной волн зависит от фактора рассогласования, характе­ризующего соотношение сопротивлений на границе раздела сред. Для границы сред типа «жидкость—металл» значение фактора рассогласования равно 20, для границ сред типа «газ—металл» — 10⁵. В первом случае происходит отражение 80% энергии падающей волны, во втором — практически 100%. Резкие изменения акустического сопротивления вызы­ваются различного рода расслоениями материалов, микро-пористостью, а также давлениями и напряжениями, возни­кающими в материалах.

На промышленных предприятиях распространение полу­чили следующие ультразвуковые методы:

1. отраженного излучения (эхо-импульсный метод);

2. прошедшего излучения (теневой, зеркально-теневой);

3. резонансный;

4. акустико-эмиссионный.

Эхо-импульсный метод дает самую обширную информацию об объекте контроля по сравнению с другими ультразвуковыми методами, поскольку позволяет не только обнаружить внутренние (поверхностные) дефекты типа на­рушения сплошности, но и определить глубину их залегания в толще материала, ориентацию и размеры. Метод приме­ним для контроля изделий, изготовленных из любых мате­риалов, в которых можно возбудить упругие колебания и получить эхо-сигнал от дна изделия.

Эхо-импульсный метод реализует принцип радиолока­ции упругих механических колебаний среды. Упругие волны, как и световые, при прохождении через объект контроля испытывают рассеяние, преломление, поглощение и отраже­ние, т. е. для упругих волн справедливы законы геометриче­ской оптики.

При эхо-импульсном методе упругие колебания в изделие вводят с помощью специальных преобразовате­лей. Основным элементом такого преобразователя, как привило, является пьезопластина.

В некоторый момент времени генератор радиоимпуль­сом возбуждает механические колебания пьезопластины. Одновременно с возбуждением упругих колебаний пластины запускается развертка индикатора дефектоскопа. На экра­не электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) вырабатывается зонди­рующий импульс а. Упругие колебания, распространяясь в материале контролируемого объекта, достигают противо­положной стороны изделия и, отразившись от нее, возвра­щаются к пьезопластине, возбуждая в ней механические ко­лебания. В результате прямого пьезоэффекта на электродах пьезопластины возникает переменное напряжение, которое поступает на усилитель, а затем на вертикальные откло­няющие пластины ЭЛТ. На индикаторе дефектоскопа появ­ляется импульс b, называемый донным (от дна изделия).

Таким образом, толщина объекта контроля «переводится» во временную диаграмму на индикаторе ультразвукового дефектоскопа. Если в материале изделия будет дефект ти­па нарушения сплошности (трещина, неметаллическое вклю­чение в металле, газовая раковина и т. д.), то часть ультразву­ковой энергии отразится от него, и на экране ЭЛТ сформи­руется импульс б. Этот импульс может появиться только между зондирующим и донным импульсами. Скорость развертки дефектоскопа прямо пропорциональна пути, пройден­ному упругими колебаниями в материале. Если настроить дефектоскоп на скорость распространения колебаний в среде, то местоположение импульса б на ЭЛТ укажет на глубину залегания дефекта, а по амплитуде импульса можно оценить размер выявленного дефекта. Представим, что расстояние от поверхности изделия до дефекта будет уменьшаться. Тогда и эхо-сигнал от него будет приближаться к зонди­рующему импульсу, а при некотором минимальном расстоя­нии «дефект - поверхность ввода» эхо-сигнал от дефекта «накроется» зондирующим импульсом. Это минимальное расстояние, с которого мы получаем информацию о наличии дефекта, называется «мертвой» зоной. Для эхо-импульсного метода «мертвая» зона является принципиально неустрани­мой величиной, а ее значение всегда указывается в техническом описании на прибор.

С противоположной стороны изделия также существует «мертвая» зона, которая порождается возникновением дон­ного импульса, действующего подобно зондирующему.

При контроле ультразвуковым эхо-импульсным методом специалисты встречаются с понятиями разрешающей способ­ности по дальности и по фронту. Разрешающая способность по дальности определяется минимальным расстоянием дельта r между двумя раздельно выявленными дефектами, расположенными на одной вертикальной оси, совпадающей с направлением распространения упругих коле­баний. Разрешающая способность по фронту характери­зуется минимальным расстоянием А1 между двумя одинако­выми точечными дефектами, залегающими на одной глуби­не. На экране дефектоскопа контролер должен наблюдать два импульса (разрешающая способность по дальности), пересекающихся на уровне 0,5 от максимальной амплитуды. Если контролер установил, что при переходе от одного дефекта к другому амплитуда эхо-сигнала уменьшилась на значение 0,5 от максимальной амплитуды (эхо-сигнал от одного дефекта), то расстояние между дефек­тами и представляет собой разрешающую способность по фронту. Часто оператор принимает уменьшение амплитуды, связанное с разрешающей способностью по фронту, за слу­чайные отклонения амплитуды эхо-сигнала.

При разработке методики контроля ультразвуковым эхо-импульсным методом следует учитывать тот факт, что дефекты могут быть объемными, плоскими, линей­ными и точечными.

В настоящее время промышленность выпускает дефектоскопы общего назначения типа ДУК-66ПМ, УД-ППУ, УД2-12, УД-НУА и др., которые можно эффективно применять на входном контроле заготовок и полуфабрикатов (ГОСТ 23049—84). Теневой метод ультразвукового контроля основан на возбуждении упругих колебаний в материале изделия и регистрации изменения амплитуды упругих колебаний, прошедших через изделие.

Метод требует двустороннего доступа к контролируемому изделию. Суть метода заключается в следующем. Преобразователь, подключенный к генератору ультразвуковых коле­баний, располагают с одной стороны изделия, а преобразователь принимающий прошедшие через изделие колебания — с противоположной стороны.

Используя бездефектный участок изделия, настраивают прибор чтобы амплитуда на экране ЭЛТ прошедшего через изделие сигнала была равной А₀. Если в изделии встречаются внутренние дефекты типа нарушения сплошности, то амплитуда А₀ уменьшится в результате образования за дефектом ультразвуковой тени.

Чувствительность метода оценивается по формуле K = A_min/Ao, где A_min — минимальная амплитуда, которую может зарегистрировать прибор при данной настройке. Предельная чувствительность метода связана с дифракцией упругих волн на дефекте и сравнима с длиной волны генератора ультразвуковых колебаний.

Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля является разновидность теневого метода и основан анализе изменения амплитуды сигнала, отраженного от дна изделия. Метод имеет преимущество перед теневым — возможность использовать односторонний доступ к изделию.

Теневой и зеркально-теневой методы применяют для контроля:

- прямых металлических однослойных бесшовных труб, изготовленных из черных и цветных металлов. Обнаружи­вают дефекты типанарушения сплошности, расположенные на внутренней и наружной поверхности;

- стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых сварных швов. Выявляют трещины, непровары, неметаллические включения.

Для реализации теневого и зеркально-теневого методов применяют дефектоскопы общего назначения.

Акустико-эмиссионный метод основан на реги­страции и анализе упругих волн, возникающих в твердых телах, подвергающихся пластической деформации или из­лому.

В основе метода лежит факт обнаружения дефектов, из­лучающих упругие волны, которые распространяются во все стороны равномерно. Достигая специальных широкополос­ных преобразователей (их должно быть не менее трех), прикрепленных к контролируемому объекту, упругие волны (колебания) преобразуются в электрические сигналы, реги­страция которых дает возможность установить зарождение и развитие трещин в реальном масштабе времени и их коор­динаты.

Акустическую эмиссию характеризуют общим числом им­пульсов за время наблюдения за объектом контроля; интен­сивностью, определяемой как число импульсов в 1 с; максимальным значением огибающего принятого сигнала; амплитудным распределением сигналов; пиковой амплитудой сигналов и т. д.

Достоинство этого метода состоит в том, что он задолго до возможного разрушения изделия сигнализирует оператору контроля о зарождающихся усталостных трещинах.

С его помощью обнаруживают и регистрируют только развивающиеся трещины, т. е. выявляют наиболее опасные дефекты. Поэтому акустико-эмиссионный метод классифи­цирует дефекты не по размерам, а по степени их опасности во время изготовления изделий и их эксплуатации.

Акустико-эмиссионный метод имеет достаточно высокую чувствительность к росту дефектов, обнаруживает увеличе­ние трещин на 1 — 10 мкм, причем, измерения можно прово­дить в рабочих условиях при наличии механических и элект­рических шумов. Метод позволяет получать информацию без применения сканирования поверхности контролируемого объекта — несколько неподвижно закрепленных на поверхности изделия преобразователей регистрируют зарождение или развитие трещин в любом месте изделия.

Неоднородность материалов не является существенным ограничением (как в случае применения других ультразвуковых методов) при контроле качества изделий. Его можно применять и для контроля качества расслоений компози­ционных материалов.

Метод акустической эмиссии обеспечивается такими приборами, как АФ-15, АФ-32, АФ-33 и т. д.

На основе использования ультразвуковых методов созда­ны ультразвуковые толщиномеры, предназначенные для измерения толщины плоских изделий, труб, прутков и т. д. из металлических материалов при одностороннем доступе к объекту измерения. Толщиномеры применяют для контроля толщин изделий, изготовленных из материалов, имеющих скорость распространения ультразвуковых волн в диапазоне 4000 - 6500 м/с. Промышленность выпускает ультразвуковые толщиномеры типа УТ-91П, УТ-92П и УТ-93П.

Таким образом, ультразвуковые методы НК применяют для контроля качества металлов, сплавов, металлокерамики, композиционных материалов. Выявляют внутренние, подповерхностные и поверхностные дефекты типа нарушениясплошности; позволяют контролировать крупногабаритные изделия и заготовки (5 и более метров); используют для контроля качества литья, поковок, штамповок, прутков, труб, деталей и конструкций машин в период производства и эксплуатации; методы допускают автоматизацию контроля и могут применяться в поточном производстве;

ультразвуковые толщиномеры широко применяются в металлургическом производстве для измерения толщин листов, проката, труб и т. д.;

интерпретация результатов ультразвукового контроля требует создания специальных методик, подготовки эталонных образцов, а также специального обучения и тренировки персонала.

Перспективным направлением является использование метода фазовой регистрации — ультразвуковой голографии. Контроль с использованием голограммы позволяет обнаружить, например, в алюминиевом блоке полости диаметром до 0,5 мм.