8.7.3. Особенности ультразвукового контроля аустенитных сварных соединений

В аустенитном сварном соединении различают четыре зоны (рис. 8.44). Зона 1 – основной металл, имеющий, как правило, относительно мелкозернистую и изотропную структуру. Зона 2 – зона термического влияния – отличается крупным зерном (размер зерна до 200 мкм), но также изотропна. Ширина зоны 2 достигает 6 мм. Зона 3 - зона сплавления основного и наплавленного металла. Зона 4 – наплавленный металл сварного шва, то есть собственно аустенитный шов. По своему строению аустенитный сварной шов имеет крупнозернистую анизотропную структуру. При выполнении сварного шва кристаллиты (в данном случае кристаллиты представляют собой совокупность кристаллов, оси которых параллельны) ориентируются сначала перпендикулярно границе сплавления наплавленного металла с основным – то есть, перпендикулярно кромкам сварного шва. По мере заполнения сварного шва они прорастают перпендикулярно границе расплавленного металла. В результате образуются столбчатые кристаллиты, проходящие через все валики шва (рис. 43). Такую структуру называют транскристаллитной.

3

1

2

4

Рис. 8.44. Зоны аустенитного сварного соединения

и схема формирования кристаллитов в аустенитном сварном шве:

1 – основной металл; 2 – зона термического влияния; 3 – зона сплавления;

4 – аустенитный шов

В зависимости от направления распространения в кристаллите изменяется скорость звука: продольных волн – в диапазоне 5200-6300 м/с, поперечных SV- волн – в диапазоне от 2500 до 4000 м/с. Поэтому границу между двумя соседними кристаллитами можно рассматривать как границу раздела двух сред с разными акустическими свойствами. При падении на эту границу ультразвуковой волны на ней, как и на любой другой границе двух твердых сред, происходят отражение, преломление и трансформация волн. Вследствие этого при прозвучивании аустенитного сварного шва наблюдаются следующие явления:

• многократное рассеяние на границах кристаллитов, приводящее к высокому уровню структурных шумов и большому коэффициенту затухания. Так, коэффициент затухания продольных волн на частоте 2,5 МГц составляет 0,1  0,3 дБ/мм;

• искривление траектории лучей (явление рефракции), которое приводит к ошибкам в определении координат.

Для оптимизации ультразвукового контроля аустенитных сварных швов рекомендуют следующие методы:

- выбор оптимальной частоты ПЭП. В зависимости от формы отражателя, зоны акустического поля преобразователя, в которой расположен отражатель, и некоторых других факторов повышение частоты может приводить как к уменьшению, так и к увеличению отношения полезный сигнал/шум;

- локализация контролируемого объема (применение раздельно-совмещенных и фокусирующих преобразователей, увеличение размера пьезоэлемента, уменьшение длительности зондирующего импульса);

- выбор типа волны, используя в качестве критерия максимальное соотношение полезный сигнал/шум;

- использование системы ВРЧ.

В зависимости от толщины аустенитного сварного шва можно дать более конкретные рекомендации по выбору средств ультразвукового контроля. Так, аустенитные сварные соединения небольшой толщины (2  10 мм), как правило, можно контролировать обычными (возбуждающими поперечную волну) наклонными ПЭП (f = 4  5 МГц,  = 70  75). Для настройки чувствительности рекомендуют использовать СОП с зарубкой 12 мм². Если при выявлении этой зарубки не удается обеспечить отношение сигнал/шум  6 дБ, зарубку увеличивают до размеров 1,53 мм². Если и в этом случае зарубка не выявляется, сварное соединение считают неконтролепригодным для данной методики контроля.

Сварные соединения толщиной более 10 мм обычно контролируют специальными совмещенными или РС ПЭП, возбуждающими продольные волны на частоте из диапазона 1,8  2,5 МГц. В некоторых случаях хорошее соотношение полезный сигнал-шум достигается даже при использовании частоты 4 МГц. В зависимости от толщины кромки и зоны контроля применяют углы ввода от 45 до 78. В качестве искусственных отражателей в СОП используют цилиндрические отверстия. Изготавливают несколько (обычно – три) образцов с отверстиями, расположенными на разных глубинах, как по оси сварного шва, так и по зоне сплавления. На рис. 8.45 показан пример одного из образцов с цилиндрическими отверстиями. Сначала выполняют отверстия 3,0 мм. Если при выявлении этих отверстий не удается обеспечить отношение сигнал/шум  6 дБ, диаметр отверстий увеличивают до 6 мм. Если и в этом случае отверстия не выявляются, сварное соединение считают неконтролепригодным для УЗ контроля по данной методике.

Стандартные образцы предприятия должны в полной мере соответствовать контролируемому изделию – по материалам, размерам и конфигурации сварного соединения, по способу и режимам сварки и термической обработки, по состоянию поверхности под УЗК.

На каждом сварном соединении сначала осуществляют оценку его контролепригодности по двум признакам:

1). Соотношение полезный сигнал – шум. Для этого не менее чем в 10 точках на каждом сварном шве сравнивают амплитуду эхо-сигнала от цилиндрических отверстий в СОП (а для толщин  10 мм – от зарубки) при прохождении ультразвука через наплавленный металл (рис. 8.44) с амплитудой структурного шума. За уровень шума принимают максимальный импульс из всех измеренных. Эхоимпульс от отверстий должен быть не менее чем на 6 дБ больше уровня структурного шума;

Рис. 8.45. Выявление искусственных отражателей в СОП

при прозвучивании через наплавленный металл

2). Изменение направления акустической оси наклонного ПЭП оценивают для сварных соединений толщиной более 20 мм при их контроле продольной волной РС ПЭП. Проверку этого признака выполняют зеркально-теневым методом по схеме рис. 8.46. Дефектоскоп включают по раздельной схеме. К дефектоскопу подключают излучающую часть первого ПЭП и приемную часть второго ПЭП. Преобразователи должны быть однотипны. Сначала преобразователи размещают на основном металле, как показано на рис. 8.46, а). Отыскивают положение, в котором наблюдается максимум зеркального сигнала на приемнике П2. Регистрируют положения точек выхода ПЭП и, по формуле ₁ = arctg(L₁/2H), определяют угол наклона акустической оси в основном металле. В формуле L₁ – расстояние между точками выхода излучающего и приемного ПЭП, H – толщина сварного соединения. После этого преобразователи размещают так, чтобы звук проходил через сварной шов (рис. 46, б)) и, выполнив такие же действия, определяют угол наклона акустической оси в сварном соединении по формуле ₂ = arctg(L₂/2H), где L₂ - расстояние между точками выхода при измерении по рис. 46, б). Если ₁ и ₂ отличаются более, чем на 5, сварное соединение считают неконтролепригодным. Измерения производят не менее чем в трех точках сварного соединения.

а) б)

Рис. 8.46. Схема проверки контролепригодности аустенитного сварного соединения по второму признаку: а) – на основном металле, б) – на сварном соединении.

И1 – излучатель первого ПЭП; П2 – приемник второго ПЭП

Дальнейшее повышение эффективности УЗ контроля аустенитных сварных соединений достигается на основе применения специализированных дефектоскопов и автоматизированных систем контроля. Двухчастотный способ контроля основывается на том, что преобразователь возбуждает в контролируемом объеме волны попеременно на двух разных частотах (например, 1,65 и 2,5 МГц). Дефектами считаются только те отражатели, которые дают эхо-сигнал на обеих частотах. Дальнейшим развитием этого способа является двухмодовый способ, при котором дефектом считают отражатели, дающие эхо-сигнал при контроле и продольными и поперечными волнами.

Наиболее эффективным оказалось применение акустической голографии совместно с двухчастотным и двухмодовым методами и специальными методами выделения полезных сигналов на фоне структурных шумов, реализованное в системе «Авгур 4.2». Использование этой системы для УЗ контроля аустенитных сварных соединений позволило повысить чувствительность на 32 – 36 дБ по сравнению с обычными дефектоскопами.