1 Классификация и обзор акустических методов контроля
В настоящее время акустические (ультразвуковые) методы находят наиболее широкое применение в практике неразрушающего контроля, поскольку они:
обладают высокой чувствительностью к выявлению внутренних потенциально опасных (плоскостных) дефектов;
обеспечивают возможность установления размеров изделий и координат дефектов;
позволяют определять физико-механические параметры материалов и напряженное состояние изделий;
характеризуются сравнительно низкой трудоемкостью контроля и не требуют особых (специальных) условий для применения оборудования.
В зависимости от решаемой задачи различают ультразвуковую дефектоскопию, толщинометрию, структуроскопию и тензометрию.
Разнообразием конструкций и материалов объектов контроля, а также типоразмеров внутренних и поверхностных несплошностей, подлежащих выявлению (дефектов), обусловлено создание и практическое применение большого числа методов ультразвуковой дефектоскопии.
На рис. 1.1 приведена классификация большинства рассматриваемых в специальной литературе методов акустического контроля. В первую очередь их подразделяют на активные и пассивные.
Активные методы предполагают излучение в материал ультразвуковых волн и анализ полей волн, прошедших объект (группа методов прохождения) или рассеянных дефектами (группа методов отражения). В самостоятельную группу могут быть выделены и методы, в которых объединены признаки методов прохождения и отражения.
Из группы методов прохождения в числе наиболее часто применяемых на практике следует назвать классический теневой и зеркально-теневой методы.
При амплитудном теневом методе (рис. 1.2) признаком обнаружения дефекта является уменьшение амплитуды сигнала, прошедшего объект контроля. Метод реализуется по так называемой раздельной схеме включения электроакустических преобразователей, когда один из них является излучателем (И), а второй – приемником (П), причем излучатель и приемник ориентируются навстречу друг другу. В зависимости от решаемой задачи, выбранной схемы прозвучивания и типа электроакустических преобразователей метод может базироваться на применении разных типов волн. Основные области применения – контроль на расслоение многослойных материалов из металлов (качество сцепления покрытий, биметаллы, многослойные стали и т. д.) и неметаллов типа стеклотекстолитовых панелей, покрышек автомобильных и авиационных колес и др. К недостаткам метода относится необходимость двухстороннего доступа к объекту и строгой взаимной ориентации преобразователей, малая информативность.
Рис. 1.1. Классификация акустических методов
и
и
п
п
Рис. 1.2. Иллюстрация амплитудного теневого метода
При зеркально-теневом методе (рис. 1.3) признаком обнаружения дефекта является уменьшение амплитуды сигнала, прошедшего путь от излучателя до донной поверхности изделия и обратно к приемнику. В связи с тем что используется отражение от донной поверхности, этот метод стоит на стыке методов отражения и прохождения. Он может быть реализован как при раздельной, так и при совмещенной схеме включения преобразователей. Достоинства метода – высокая чувствительность к плоскостным дефектам, ориентированным вдоль пучка, и возможность контроля при одностороннем доступе к объекту; недостаток – малая информативность. Наибольшее применение метод нашел в рельсовой дефектоскопии и при контроле изделий металлопроката.
и
и
п
п
Рис. 1.3. Иллюстрация зеркально-теневого и эхометода
Велосиметрический метод основан на анализе изменения скорости упругих волн, связанного с наличием дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется нормальная волна, то появление расслоения изменяет ее скорость. Это изменение определяют по запаздыванию или сдвигу фазы прошедшей волны. Велосиметрический метод применяют для выявления дефектов (преимущественно расслоений и непроклеев) в неметаллических покрытиях и слоистых пластинах, а также для контроля сварных швов.
Классическим методом отражения является эхоимпульсный метод. Он основан на регистрации эхосигнала от дефекта. При обнаружении дефекта, кроме посланного (зондирующего) импульса и возможного отражения от противоположной, донной, поверхности изделия, наблюдают эхосигнал от дефекта (см. рис. 1.3). Время прихода импульсов пропорционально расстоянию от отражающей поверхности.
С помощью этого метода проверяют до 90 % всех объектов. Применяя волны различных типов, решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллических материалов.
Использование раздельной схемы включения преобразователей и различное расположение излучателя и приемника значительно расширяют возможности классического эхометода. Методические приемы, обеспечивающие более высокую чувствительность к отдельным типам дефектов или позволяющие получить дополнительную информацию о характеристиках дефектов, используются на практике и известны как самостоятельные методы контроля. В их числе: зеркальный, а также эхозеркальный (тандем-), дельта-, дифракционно-временной (TOFD) методы, рассмотренные в § 7.3, 7.4.
Эхометод используют также для измерения геометрических размеров изделий при известной скорости ультразвука в материале. Если толщина изделия известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука и по этим параметрам определяют физико-механические свойства материалов.
В комбинированных методах используют принципы и методы прохождения, и методы отражения акустических волн. К этой подгруппе относятся, в частности, эхосквозной и эхотеневой методы (рис. 1.4).
а) |
б) |
I, II, III, IV |
|
I – сквозной сигнал (крупные непрозрачные дефекты); II, III – эхосквозные сигналы (небольшие или полупрозрачные дефекты); IV – сигнал, испытавший двукратное отражение в объекте контроля (те же, что I). |
|
Рис. 1.4. Комбинированные акустические методы контроля:
а) эхосквозной; б) эхотеневой
С помощью эхосквозного метода фиксируют сквозной сигнал I, сигнал II, двукратно отраженный в изделии, а в случае появления полупрозрачного дефекта и эхосквозные сигналы III, IV, соответствующие отражениям от дефекта волн, идущих от верхней и нижней поверхности изделия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшению сигнала I, т. е. теневым методом, а также сигнала II. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению сигналов III и IV.
Импедансный метод основан на анализе изменения механического или входного акустического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь. В высокочастотных импедансных дефектоскопах колеблющимся элементом является пьезопластина преобразователя. Появление дефекта типа расслоения вблизи поверхности изделия изменяет входной акустический импеданс, а следовательно, и режим колебаний генератора, что свидетельствует о наличии дефекта. В низкочастотных импедансных дефектоскопах преобразователем служит колеблющийся стержень, опирающийся на поверхность изделия. Между ними нет контактной жидкости (сухой контакт). Появление поверхностного дефекта в виде расслоения делает расположенный над дефектом участок поверхности более гибким, т. е. снижает его механический импеданс. В результате изменяется режим колебаний стержня, в частности, уменьшаются механические напряжения на приемнике ультразвуковых колебаний, что является признаком дефекта.
Резонансный метод основан на использовании зависимости параметров упругих колебаний в условиях резонанса от наличия дефекта в контролируемом объекте. В изделии с помощью пьезопреобразователя возбуждают ультразвуковые волны. Частоту колебаний модулируют. Фиксируют частоты, на которых возбуждаются резонансы колебаний. По резонансным частотам определяют толщину стенки изделий и наличие дефектов. Дефекты, параллельные поверхности изделий, вызывают отклонение измеряемых значений толщины, а расположенные под углом поверхности – исчезновение резонансных явлений. Таким образом, этот метод используют для измерения толщины изделия при одностороннем доступе, выявления зон коррозионного поражения, непропая и непроклея в листовых соединениях, расслоений в тонких листах и т. д.
При пассивных методах, когда в объект не излучаются упругие волны, регистрируют волны малой интенсивности, возникающие в самом объекте в результате происходящего под нагрузкой нарушения (изменения) структуры материала на микро- или макроуровне (метод акустической эмиссии) либо анализируют собственные колебания объекта в рабочем режиме эксплуатации по вибрации поверхности (виброакустический метод) или излучаемым им акустическим шумам (шумовой метод).
Акустико-эмиссионный метод (рис. 1.5) основан на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии.
Наиболее характерными источниками волн акустической эмиссии являются аллотропические превращения, движение скоплений дислокаций, возникновение и увеличение размеров трещин. Контактирующие с изделием приемные преобразователи (П), принимающие упругие волны, позволяют установить наличие источника эмиссии, а при обработке сигналов от нескольких преобразователей можно определить расположение источника.
Рис. 1.5. Метод акустической эмиссии
К пассивным акустическим методам, основанным на возбуждении колебаний объекта контроля, относятся вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы. При использовании первого метода анализируют параметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипника, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа. При использовании второго метода изучают спектр шумов работающего механизма на слух или с помощью микрофонных приемников.
По частотному признаку все рассмотренные акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном ультразвуковом (до нескольких десятков килогерц) диапазоне частот; ко вторым – колебания в высокочастотном ультразвуковом (от нескольких сотен килогерц до 50 МГц) диапазоне частот. Для контроля металлов преимущественно используют высокочастотные методы.