Контроль качества сварных соединений

5.2. ПРИНЦИП И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Согласно общей схеме ультразвукового контроля сварки (рис. 5.4) акустическое поле источника (излучателя) 1 распространяется в объеме материала контролируемого изделия 2. При наличии дефекта 3 акустическое поле изменяет свою структуру: за дефектом появляется «тень», а поверхность дефекта отражает ультразвуковые колебания. О наличие дефекта в сварном шве можно судить, регистрируя ослабление акустической волны с помощью приемника 4 или появление отраженной акустической волны с помощью приемника 5.

Рис. 5.4. Схема ультразвукового контроля сварки: 1 − излучатель ; 2 − контролируемое изделие;

3 − дефект ; 4, 5 − приемники акустического колебания

По принципу обнаружения дефекта методы ультразвукового контроля можно разделить на три основных вида (рис. 5.5):

1)теневой метод,

2)зеркально-теневой метод,

3)эхо-метод.

При теневом методе (рис. 5.5, а) признаком обнаружения дефекта служит уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей через изделие от излучающего искателя к приемному. Искатели располагаются на противоположных поверхностях изделия, поэтому данный метод применяется в случае двухстороннего доступа к изделию.

При зеркально-теневом методе (рис. 5.5, б) дефект обнаружи-

вается по уменьшению интенсивности (амплитуды) отраженной от

91

противоположной поверхности изделия ультразвуковой волны. Противоположную поверхность, зеркально отражающую ультразвук, называют донной поверхностью, а отраженный от нее импульс − дон - ным импульсом.

При эхо-методе (рис. 5.5, в) признаком обнаружения дефекта является прием искателем эхо-импульса, отраженного от самого дефекта.

Рис. 5.5. Схема методов ультразвукового контроля: а − теневой ;

б− зеркально -теневой; в − эхо-метод с раздельными искателями;

г− эхо-метод с совмещенными искателями; И – излучатель; П – приемник

Если о наличие дефекта судят по появлению эхо-импульса от дефекта и по уменьшению донного импульса, то это значит, что контроль ведут одновременно двумя методами: эхо-методом и зеркально-теневым (их сочетание называют эхо-теневым методом).

При любом методе контроля возможно использование двух искателей, один из которых выполняет функции излучения, а другой − приема . Такая схема включения искателей называется раздельной.

Также возможно применение одного искателя, включенного по совмещенной схеме, выполняющего функции искателя и приемника одновременно. Один искатель применяется при импульсном излучении для зеркально-теневого метода и эхо-метода.

92

Согласно ГОСТ 14782–86 в практике контроля сварных соединений следует применять эхо-импульсный, теневой (зеркально-теневой) или эхо-теневой методы. При эхо-импульсном методе применяется совмещенная, раздельная и раздельно-совмещенная схема включения преобразователей. При теневом методе применяется раздельная схема включения преобразователей, а при эхо-теневом методе – раздельно -совмещенная схема включения преобразователей (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схемы ультразвукового контроля сварных соединений: а – эхо-импульсный метод с совмещенной схемой включения; б, в – эхо-импульсный метод с раздельной схемой включения;

г, д – эхо-импульсный метод с раздельно-совмещенной схемой включения;

е– теневой метод с раздельной схемой включения; ж – эхо-теневой метод

сраздельно-совмещенной схемой включения; Г – вывод к генератору ультразвуковых колебаний; П – вывод к приемнику

93

5.3. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИК УЛЬТРАЗВУКА

Для возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний при дефектоскопии металлов используют электроакустические преобразователи в виде пластин из пьезоэлектрических материалов: кварца, цирконата титаната свинца, титаната бария и др.

При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину, вследствие так называемого обратного пьезоэффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель (рис. 5.7, б). И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная ультразвуковая волна), то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектрическогоэффекта появляются электрические заряды, величинакоторыхможет бытьизмерена. Вэтомслучае пластина работает как приемник (рис. 5.7, а).

Рис. 5.7. Схема работы пьезопластины:

а – при приеме; б – при излучении ультразвука

Для приема и съема электрического поля на противоположных поверхностях пьезопластины нанесены серебряные электроды. Толщину пьезоэлектрической пластины выбирают такой, чтобы собственная частота пластины соответствовала частоте возбужденных или принимае-

94

мых ультразвуковых колебаний. Излучатели и приемники ультразвуковых волн называются искателями.

При излучении пьезоэлементом импульса ультразвуковых колебаний в среде возникает ультразвуковое поле излучения, которое имеет вполне определенные пространственные границы и распределение звукового давления внутри пучка. Вблизи от излучателя, на участке, называемом ближней зоной, или зоной Френеля, ультразвуковая волна распространяется почти без расхождений в стороны и имеет цилиндрическую форму (рис. 5.8). Протяженность r этой зоны

В дальней зоне начинается постепенное расхождение ультразвуковой волны и пучок приобретает форму усеченного конуса (см. рис. 5.8).

Распределение энергии в поперечном сечении этого конуса неравномерно: максимальная интенсивность излучения сосредоточена по оси пучка, а минимальная − на периферии конуса. Распределение интенсивности излучения в данной зоне, представленное в виде графика в полярных координатах, называют диаграммой направленности (рис. 5.9). Диаграмма направленности ультразвукового поля тем острее, чем больше произведение радиуса излучателя a на частоту f излучаемых колебаний.

95

6. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Для всех магнитных и электромагнитных методов характерно наличие:

–полезадающей системы;

–магнитного поля дефекта;

–устройства его обнаружения.

Электромагнитные методы контроля (вихретоковые) основаны на изменении реакции вихревых токов, создаваемых на поверхности изделия.

Этими методами можно контролировать только электропроводимые материалы.

Магнитные методы контроля основаны на намагничивании исследуемого сварного шва.

Этимиметодамиможноконтролироватьферромагнитныематериалы. В зависимости от способа регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих в зоне расположения дефектов, магнитные методы

разделяются:

–на магнитопорошковый;

–магнитографический

–феррозондовый ;

–индукционный ;

–магнитоакустический ;

–магнитополупроводниковый ;

–магнитоэлектрический .

При дефектоскопии сварных швов применяют в основном три метода: магнитопорошковый, магнитографический и феррозондовый. В первом случае потоки рассеяния выявляются с помощью магнитного порошка; во втором – регистрируются на магнитную ленту, в третьем – выявляются с помощью феррозонда.

96

6.1. МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Магнитная проницаемость µ – это отношение магнитного поля, создаваемого током в магнитной среде, к магнитному полю, создаваемому тем же током в вакууме.

В зависимости от значения µматериалы делятся:

– на ферромагнитные: µ≥ 104 (Fe, Ni, Co);

–парамагнитные : µ= 1 + ε (Al, Mr);

–диамагнитные : µ= 1 – ε (Cu, Zn),

коэффициент ε = 10–4 … 10 –5 .

В пределах одного домена (V = 10–5 …10 –8 см3) магнитное поле вызывается вращением электронов вокруг своих собственных осей (рис. 6.1, а). В пределах изделия магнитные поля доменов уравниваются.

Под действием внешних магнитных линий поля доменов устанавливаютсявтомженаправлении, приэтомобразуют общееполе(рис. 6.1, б).

Рис. 6.1. Ориентация доменов в ферромагнитном материале: а – деталь размагничена; б – деталь намагничена до индукции

насыщения; в – деталь намагничена до остаточной намагниченности

Когда деталь намагничена, магнитные линии имеют определенную направленность. При встрече с дефектом (магнитная проницаемость µд которого в тысячи раз меньше магнитной проницаемости µм металла) силовые линии обходят объект и образуют поля рассеивания магнитных линий.

Дефекты, расположенные вдоль направления магнитных линий, не вызывают существенного препятствия для распространения потока и трудно обнаруживаются магнитным потоком.

97

Дефекты, направленные перпендекулярно магнитным линиям, вызывают значительное рассеивание иобнаруживаются значительно легче.

При этом на поверхности сварного шва в зоне расположения дефекта возникает магнитное поле рассеяния, т.е. магнитный поток, распространяясь по изделию и встречая на своем пути дефект, огибает его (так как магнитная проницаемость дефекта значительно ниже магнитной проницаемости основного материала). В результате этого часть магнитно-силовых линий вытесняется дефектом на поверхность, образуя местный магнитный поток рассеяния.

Дефекты, которые вызывают возмущение в распределении силовых линий магнитного потока без образования местного потока рассеяния, не могут быть обнаружены методами магнитной дефектоскопии.

Возмущение потока происходит тем сильнее, чем большее препятствие представляет собой дефект.

Так, если дефект расположен вдоль направления магнитных силовых линий, то возмущение магнитного потока невелико, в то время как тот же дефект, расположенный перпендикулярно или наклонно направлению магнитного потока, создает значительный поток рассеяния.

В зависимости от метода создания магнитного поля намагничивание делится на постоянное, остаточное, импульсное, индукционное, комбинированное.

Существуют также циркуляционное и полюсное намагничивание. Выбор метода намагничивания определяется реальными возможностями применения его и требованиями к уровню выявляемости дефектов. При каждом методе намагничивания процесс обнаружения дефекта протекает в приложенном или остаточном поле. Более эффективен контроль

вприложенном магнитном поле.

6.1.1.Магнитопорошковый метод контроля

(ГОСТ 21105–87)

Сущность магнитопорошкового метода заключается в том, что на поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок. Под действием втягивающей силы магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются по поверхности детали и скапливаются в виде валиков над дефектами. Форма этих скоплений соответствует очертаниям выявленных дефектов.

98

Ферромагнитный порошок наносят двумя способами: мокрым и сухим. Мокрый способ – порошок наносится в виде суспензии с керосином, маслом, мыльным раствором. Сухой способ – порошок наносится в виде магнитного аэрозоля. Сухой способ менее чувствителен, и его применяют на стадии предварительного контроля для выявления грубых дефектов.

Методика контроля

Технология контроля магнитопорошковым способом включает следующие операции:

1.Подготовка поверхностей перед контролем, очистка их от загрязнений, окалины, следов шлака после сварки.

2.Подготовка суспензии – интенсивное перемешивание магнитного порошка с транспортирующей жидкостью.

3.Намагничивание контролируемого изделия.

4.Нанесение суспензии на поверхность контролируемого изделия.

5.Осмотр поверхности изделия и выявление мест, покрытых отложением порошка.

В сомнительных случаях валик порошка удаляют и повторяют операции 3, 4 и 5.

6.После контроля изделие размагничивают.

Метод отличается:

–высокой чувствительностью к тонким и мелким трещинам;

–простотой выполнения;

–оперативностью;

–наглядностью результатов.

Этот метод широко применяется для контроля продольных сварных швов изделий из магнитных материалов, в частности, для выявления трещин и узких непроваров в стыковых швах трубопроводов, сваренных дуговыми способами.

Для повышения чувствительности контроля рекомендуется снимать усиления швов.

Чувствительность контроля

Чувствительность магнитопорошкового метода может быть охарактеризована следующими размерами дефекта:

– ширина раскрытия – 0,001 мм;

99

Чувствительность магнитопорошкового метода зависит от ряда факторов:

–от размера частиц порошка;

–способа его нанесения;

–напряженности приложенного магнитного поля;

–рода приложенного тока (переменный или постоянный);

–формы , размера и глубины залегания дефектов;

– ориентации дефектов относительно поверхности изделия

инаправления намагничивания;

–состояния и формы поверхности;

–способа намагничивания.

Частицы порошка должны иметь размер 5–10 мкм. Для выявления глубоко залегающих дефектов применяют более крупный магнитный порошок. Для мокрого метода применяют порошок с мелкими частицами, порошок должен обладать максимальной подвижностью (необходимо применять частицы неправильной формы).