книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

фиксируется на экране дефектоскопа. Однако, если в первом случае можно утверждать, что дефект обнаружен продольными волнами, то во втором этого сделать нельзя, хотя и там и здесь применялась прямая головка.

Иногда для контроля деталей с кривой поверхностью (на­ пример, цилиндрических заготовок) применяют «прямые» го­ ловки, контактная поверхность которых выполнена по форме изделий. При этом считают, что контроль ведется продоль­ ными волнами. Это неправильно, так как подобные головки не могут быть прямыми, т. е. создавать в изделии продольные волны. Благодаря кривизне поверхности продольные УЗ К от излучателя входят в изделие под разными углами, поэтому з материале возникают различные виды колебаний— продоль­ ные, сдвиговые и возможно поверхностные, распространяющие­ ся в изделии под различными углами (рис. 103, в).

Правильное представление о характере возникающих и распространяющихся в изделии волн при различных условиях ввода УЗК необходимо для того, чтобы уметь грамотно рас­ шифровать осциллограммы контроля. Кроме того, это позво­ лит более точно определять координаты дефектов, что являет­ ся одной :i3 важных задач ультразвуковой дефектоскопии.

Рис. 104. Трансформация продольных волн в контролируемом изделии при падении их на плоскую поверхность под различными углами:

Для обнаружения в изделиях дефектов, ориентированных в металле под углом к поверхности ввода УЗК, а также для контроля качества сварных соединений применяют сдвиговые УЗК, которые возбуждаются в металле путем трансформации излучаемых пьезоэлементов продольных волн при переходе их из призмы головки в контролируемое изделие (рис. 104). Сдви­

3 3 1

говые УЗ К возбуждаются в изделиях призматическими иска­ тельными головками с плоской или фигурной контактной по­ верхностью. Здесь возможны два случая: ввод УЗК в деталь через плоские участки головкой с плоской контактной поверх­ ностью и через кривые участки головками с плоской или фи­ гурной (по форме изделия) контактной поверхностью. В пер­ вом случае в металле можно возбудить наиболее «чистые* сдвиговые УЗК, если угол ввода упругих колебаний а будет выбран больше первого критического угла ( а > а Крд). Во вто­ ром случае угловыми головками с плоской пли фигурной кон­ тактной поверхностью в изделии могут быть возбуждены не­ сколько видов волн, распространяющихся под различными углами.

Контактная поверхность, выполненная по форме трубы, позволяет фиксировать на ней головку, благодаря чему при перемещении головки вдоль образующей направление ультра­ звукового луча и комбинация ультразвуковых волн в стенке трубы остаются постоянными. Как показала практика, такие головки имеют высокую чувствительность к обнаружению по­ верхностных дефектов и удобны в работе.

Во всех случаях ультразвуковые колебания входят в кри­ волинейную поверхность под различными углами, изменяющи­ мися при наклоне головки. Вследствие этого в контролируемой оболочке могут одновременно существовать гаммы волн: про­ дольных, сдвиговых, поверхностных и нормальных, распростра­ няющихся вокруг по стенке трубы, как по волноводу. Можно полагать, что существование в стенке нескольких типов волн благоприятно сказывается на результатах контроля. Дефекты, не выявленные одним типом волн, могут быть обнаружены дру­ гим. Изменяя установочный угол а, можно определить наибо­ лее оптимальные условия, при которых в оболочке возникнут комбинации ультразвуковых колебаний с преобладанием нуж­ ных видов волн.

Головки с плоской контактной поверхностью обладают по сравнению с головками, имеющими вогнутую контактную по­ верхность, существенными преимуществами: их можно приме­ нять для контроля практически любых выпуклых (цилиндри­ ческих, конических, сферических) оболочек, так как плоская контактная поверхность не мешает сканированию поверхности в любом направлении, например, вдоль, перпендикулярно пли под углом к образующей. Вместе с тем возможность изменения угла наклона головки в процессе контроля позволяет возбуж­ дать в стенке детали комбинации УЗК с попеременным преоб­ ладанием симметричных и антисимметричных нормальных волн, что повышает надежность обнаружения внутренних и наружных дефектов в стенках криволинейных оболочек.

332

Поверхностные волны применяются в тех случаях, когда обнаружению подлежат дефекты, возникающие на поверхно­ стях заготовок и изделий в производстве, или готовых изде­ лий в условиях эксплуатации. Поверхностные волны также по­ лучаются путем трансформации продольных УЗК, падающих на поверхность под углом а^оскрлт (см. рис. 104). Поэтому они не могут существовать в «чистом» виде, им всегда сопут­ ствуют сдвиговые УЗК. Особенностью поверхностных волн яв­ ляется то, что они распространяются на любой гладкой пло­ ской или кривой поверхности с неболышгм затуханием, огибая все детали рельефа. Поэтому поверхностью волны в последнее время нашли широкое применение для обнаружения трещин усталости на ответственных элементах машин в условиях эксплуатации (лопатки турбин и компрессоров, силовые ци­ линдры и др.).

Нормальные волны применяются для обнаружения дефек­ тов (расслоений, закатов, зон пористости, поверхностных тре­ щин и др.) в тонких листах, трубах и оболочках. Для возбуж­ дения нормальных волн обычно используют продольные коле­ бания, падающие на поверхность плоского листа под некоторы­ ми углами а„. Между утлом падения, толщиной листа и упру­ гими свойствами материала имеется связь, позволяющая най­ ти определенные дискретные углы падения, соответствующие определенным формам (симметричным или антисимметрич­ ным) и порядкам (S0, S h S 2, S 3, . . . , S n или a0, a,, a2, a3, ... , an)

нормальных волн. В практике ультразвуковой дефектоскопии обычно эти углы определяются экспериментально на конкрет­ ных изделиях с конкретными дефектами. Найденные таким способом угла ан позволяют возбудить в тонкостенных изде­ лиях комбинации ультразвуковых колебаний с преобладанием таких форм нормальных волн, которые наиболее чувствитель­ ны к выявлению заданных дефектов.

Направление прозвучивания. После выбора УЗК для кон­ троля изделия необходимо наметить направления прозвучива­ ния тела или поверхности изделия и участки ввода УЗК, т. е. места установки и направление перемещения искательной го­ ловки. При этом желательно определить, какие эхо-сигналы могут быть видны на экране при различных положениях иска­ тельной головки.

Наибольшие трудности вызывает разработка методик уль­ тразвукового контроля изделий, ограниченных кривыми по­ верхностями, с помощью поверхностных или нормальных волн. В ряде случаев во время прозвучивания поверхности изделия на экране дефектоскопа появляются импульсы, соответствую­ щие отражениям УЗК от участков, находящихся «в стороне» от направления прозвучивания. Для того чтобы объяснить такое

3 3 ?

явление, необходимо четко представлять себе траектории, по которым УЗК могут распространяться ка поверхности изделия.

Рис. 105. Схема распространения поверхностных УЗК

Как известно, УЗК распространяются на кривых поверхно­ стях по геодезическим траекториям. Для цилиндрической по­ верхности геодезическими линиями являются меридианы, ок­ ружности и винтовые линии. Установив устройство, излучаю­ щее поверхностные или нормальные волны па любом участке

3 3 4

цилиндрической поверхности (стержня, трубы), получим до­ статочно ясную картину распространения и отражения УЗКЕсли УЗК направлены вдоль образующей цилиндрической по­ верхности, то только центральный и близлежащие к нему лучи направлены вдоль образующей; остальные лучи пересекают образующие под небольшими углами, изменяющимися от 0 до 0, где © — половина угла расхождения пучка УЗК при излуче­ нии головки в плоскую поверхность, т. е. распространяются по винтовым линиям с большим шагом (рис. 105, а). Отраженные от противоположного конца цилиндра волны фиксируются на экране дефектоскопа в виде широкого концевого импульса, передний фронт которого соответствует отражению централь­ ного луча УЗК от точки В, а задний фронт — отражение боко­ вых лучей от точек В' и В".

Если УЗК направлены по окружности, то в этом случае только центральный луч распространяется по окружности, остальные пересекают образующие под углами от 90° до 90—0° и распространяются по винтовым линиям с небольшим шагом вправо и влево от излучателя (рис. 105, б).

при прозвучивании цилиндра:

/ — и с к а т е л ь н а я г о л о в к а : 2 — б о к о в ы е л у ч и п у ч к а У З К ; 3 — ц е н т р а л ь н ы й ■> и 7 — н а ч а л ь н ы й и к о н ц е в о й и м п у л ь с ы

В том случае, когда УЗК направлены под углом к образую­ щей цилиндра, УЗК распространяются по винтовым линиям пучком с углом расхождения, равным 20, причем, если угол по­ ворота головки у (у — угол между центральным лучом и каса­ тельной к окружности) больше или равен 0, то УЗК обтекают

335

цилиндр и распространяются в направлении поворота головки

верхности УЗ К на экране дефектоскопа могут возникать им­ пульсы, соответствующие отражению части волн от дефектов, расположенных «в стороне» от направления прозвучивания и ориентированных на поверхности более благоприятно к бо­ ковым лучам, чем к центральному.

Рис. 106. Виды контрольных отражателей:

и — б о к о в а я п о в е р х н о с т ь о т в е р с т и я ; 6 — о т в е р с т и е с о с ф е р и ч е с к и м дно.м ; в — о т в е р с т и е с п л о с к и м д н о м : г — у г л о в о й о т р а ж а т е л ь — з а ­ п и л о в к а ; д — у г л о в о й о т р а ж а т е л ь — в ы р у б к а : е — н а д р е з

Такое представление о распространении УЗК в криволиней­ ных поверхностях и оболочках можно распространить на по­ верхности, имеющие более сложную форму. В этом случае за ­ дача будет заключаться в нахождении геодезических линий на данной поверхности, а последние позволят определить траекто­ рии распространения ультразвуковых лучей.

Эталонирование чувствительности ультразвукого контроля. Под чувствительностью ультразвукового метода понимается минимальная площадь отражателя, расположенного на опре­ деленном расстоянии от точки ввода 1УЗК в плоскости, перпен­

1 Под точкой ввода УЗК подразумевается точка падения центрального луча пучка УЗК на поверхность изделия.

33R

дикулярной направлению прозвучивання и регистрируемого индикатором дефектоскопа. Чувствительность метода зависит от характеристики контролируемого материала, акустического контакта изделия с искательной головкой, а также от электри­ ческих и акустических параметров прибора.

Приступая к контролю изделий, необходимо дефектоскоп настроить на определенную чувствительность, позволяющую выявить недопустимые по техническим условиям дефекты. Н а­ стройка на заданную чувствительность производится по специ­ альным эталонным образцам, имеющим различные контроль­ ные отражатели (искусственные дефекты). В настоящее время применяются эталоны в виде металлических или изготовлен­ ных из органического стекла брусков, секторов, цилиндров и других с контрольными отражателями в виде отверстий раз­ личного диаметра с плоским или сферическим дном, боковой поверхности отверстия, угловых отражателей типа зарубоь-

и др. (рис. 106).

Контрольные отражатели в виде боковой поверхности от­ верстия и отверстия со сферическим дном просты в изготовле­ нии и пригодны для контроля головкой с любым углом на­ клона. Однако они не дают однозначной зависимости между диаметром отверстия и амплитудой отраженного сигнала. По­ этому такие отражатели нельзя использовать для эталониро­ вания чувствительности при работе преломляющими голов­ ками.

Контрольный отражатель в виде отверстия с плоским дном, перпендикулярным оси ультразвукового пучка, является на­ иболее подходящим для эталонирования чувствительности. Та­ кой отражатель позволяет ввести понятие меры чувствительно­ сти. определяемой площадью дна плоскодонного отверстия. Однако изготовление торцовых отверстий сложно, кроме того, для каждого угла наклона искателя нужно изготавливать свои эталонные образцы.

В качестве замены плоскодонного отверстия были предло­ жены контрольные отражатели углового типа, выполненные в виде запиловки или вырубки.

Рассмотренные эталоны нашли широкое применение для настройки чувствительности ультразвуковых дефектоскопов при контроле крупногабаритных изделий простой формы на на­ личие дефектов в глубине металла (раковин, закатов, расслое­ ний и др.) и при контроле сварных соединений на наличие де­ фектов сварки (непроваров, трещин, зон пористости и др.).Эти эталоны могут быть использованы для настройки чувствитель­ ности дефектоскопов только при контроле изделий продольны­ ми и сдвиговыми волнами. При контроле поверхностными и нормальными волнами они не пригодны.

В качестве контрольного отражателя при контроле поверх­ ностными и нормальными волнами используется регламенти­ рованные по длине, глубине и раскрытию надрезы на поверхно­ стях контролируемых деталей, середина которых совпадает с акустической осью излучателя, т. е. с направлением централь­ ного луча, лежащего в плоскости, перпендикулярной стенке надреза. Чувствительность при этом оценивается минимальной площадью стенки надреза.

Рис. 107. Мертвая зона при контроле продоль­ ными волнами:

; — с о в м е щ е н н а я и с к а т е л ь н а я г о л о в к а : 2 — д е ф е к т : 3 — з о н д и р у ю щ и й и м п у л ь с ; 4 — и з д е л и е : 5 — к о н ц е в о й и м п у л ь с ; X — м е р т в а я з о н а

Эталонирование чувствительности ультразвукового контро­ ля деталей машин методом надреза позволило стандартизиро­ вать условия контроля при использовании поверхностных и нормальных волн. Ультразвуковой контроль при оптималь­ ных режимах настройки чувствительности дефектоскопов по эталонным деталям позволяет надежно выявлять поверхност­ ные дефекты — трещины и растрескивание материала, корро­ зионные поражения, мелкие риски и забоины и в глубине метал­ л а — раковины, закаты, расслоения, пористость, межкристаллитную коррозию, разнозернистость структуры.

Мертвые зоны и способы их сокращения. Важной характе­ ристикой чувствительности ультразвукового контроля является величина мертвой зоны. При использовании продольных волн в изделии имеется временная мертвая зона, представляющая собой неконтролируемый поверхностный слой, в котором эхосигнал от дефекта (контрольного отражателя) не разрешается от зондирующего (рис. 107). Под разрешающей способностью

3 3 8

метода понимается способность раздельно принимать и воспроизводить эхо-сигналы от двух и более отражателей, располо­ женных вблизи друг от друга в направлении распространения ультразвукового пучка. Малая разрешающая способность не позволяет наблюдать дефекты, расположенные близко один за другим или вблизи поверхностей изделия, что и приводит к по­ явлению мертвых зон Одним из путей повышения разрешаю­ щей способности является уменьшение длительности зонди­ рующего импульса. Для этого существуют различные способы, например, способы механического демпфирования пьезоэле­ мента искательной головки, электрической компенсации коле­ баний пьезоэлемента в режиме излучения и др.

узк

Механическое демпфирование заключается в том, что к пьезоэлементу приклеивают массивный демпфер, жесткая связь с которым приводит к тому, что после действия возбуж­ дающего импульса на пьезоэлемент свободные колебания пос: леднего быстро затухают. Однако механическое демпфирова­ ние имеет серьезные недостатки. Из-за большого затухания добротность системы становится весьма низкой и амплитуда колебаний пьезоэлемента малой. Все это снижает чувствитель­ ность метода.

При использовании сдвиговых, поверхностных или нормаль­ ных волн, вводимых в изделие с помощью призматических го­

стояние от центра излучения головки до контрольного отража­ теля. при котором на экране дефектоскопа появляется отра­ женный эхо-сигнал. Величина мертвой зоны в этих случаях за­ висит от характеристик материала, формы и размеров изделия,

атакже размеров и конструкции искательной головки и угла

ападения УЗ К-

На рис. 108 показаны мертвые зоны при контроле металли­ ческого бруса сдвиговыми волнами. Как видно, здесь непрозвучиваемыми (мертвыми) зонами будут участки ABC. EDK. LMN. Легко заметить, что мертвые зоны могут быть ликвиди­ рованы перестановкой на 180° и перемещением искательной го­ ловки назад — вперед в направлении прозвучивания па вели­ чину Д'|.

Рис. 109. Уменьшение суммарной мертвой зоны при контро­ ле поверхностными волнами

На рис. 109 показана суммарная мертвая зона при контроле пластины поверхностными волнами, которая характеризуется величиной

материалов, длиной от 120 до 290 мм величины суммарной мертвой зоны М составляют от 25 до 40 мм. Примерно такая же картина, что и на рис. 109, наблюдается при использовании нормальных волн. Однако величина суммарной мертвой зоны достигает здесь 100— 120 мм.

3 4 0