книги / Применения ультразвука

в качестве которой обычно выступает вода, смазка или любой другой материал на масляной основе. Можно также передавать ультразвуковые волны без прослойки, используя специально сконструированные преобразователи с соответствующей колод­ кой для обеспечения согласования импедансов интересующих нас материалов. Несмотря на то что в настоящее время доступ­ но достаточное количество инструментов и режимов отображе­ ния данных, наиболее широко применяется импульсный метод с ^-сканирующим отображением.

Поскольку акустические волны эффективно распространя­ ются в большинстве структурных материалов, рассеиваются или отражаются при попадании на неоднородности или прерывности среды, то измерение переданной и отраженной энергии можно связать с целостностью как функцией неоднородности материа­ ла и параметров дефектов. Метод ультразвукового тестирования с ^-сканирующим отображением предоставляет количественную информацию о толщине компонента, глубине обнаруженной пре­ рывности, ее размере и т.д.

Для эффективного применения ультразвуковых NDT следу­ ет хорошо ознакомиться с аспектами распространения волн, по­ глощением, рассеянием, затуханием, волновой конверсией, рефракцией/отражением/дифракцией и т.д. Вышеперечисленные понятия подробно обсуждались в главе 2. Хотя все аспекты распро­ странения волн имеют большое значение, в ультразвуковом тести­ ровании главную роль играют понимание и применение волнового отражения, что особенно важно при оценке толщины и дефектов. В главе 4 рассматривались основные инструменты ультразвуковой дефектоскопии. В данной главе помимо ознакомления с концеп­ цией обнаружения/оценки дефектов также уделяется внимание некоторым прогрессивным инструментам обследования.

Достоинства

Главными достоинствами ультразвукового обследования по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний явля­ ются:

(I) Обнаружение дефектов, находящихся глубоко внутри мате­ риала, что стало возможным благодаря улучшенной проникающей способности. Ультразвуковое обследование проводится до глуби­ ны нескольких метров. Пример: длинные стальные стержни, ро­ торные штамповки и т.д.

(II) Высокая чувствительность при обнаружении чрезвычайно малых дефектов (длиной несколько миллиметров) в толстых ком­ понентах порядка, скажем, 50 мм.

(III) Точное определение местоположения внутренних дефек­ тов, оценка их размера, характеристика направления, формы и природы.

(IV) Достаточность доступа только к одной из сторон изделия.

(V) Контроль процесса электронными средствами, что обес­ печивает почти мгновенное выявление дефектов. По этой причи­ не метод подходит для оперативного мониторинга производства и контроля процессов. Кроме того, постоянная запись результа­ тов обследования может оказаться полезной для будущих обра­ щений к этой информации.

(VI) Объемное сканирование, что позволяет обследовать объ­ ем материала. Таким образом, обследование охватывает участок от передней до задней поверхности компонента изделия, даже если его толщина составляет 400 мм.

(VII) Отсутствие требований по мерам предосторожности, связанным со здоровьем.

(VIII) Портативность.

Недостатки

К недостаткам методов ультразвукового тестирования можно отнести следующие моменты:

(I) Ручная операция требует пристального внимания опытных специалистов.

(II) Для разработки процедур обследования нужны всесторон­ ние технические знания.

(III) Сложно обследовать детали, которые имеют неправиль­ ную форму, очень малы, слишком тонкие или неоднородные.

(IV) Прерывности верхнего слоя, находящиеся непосредс­ твенно под поверхностью, невозможно обнаружить, если не при­ менять соответствующие процедуры.

(V) Для обеспечения эффективной передачи энергии ультра­ звуковых волн в обследуемые детали необходима контактная про­ слойка. Однако в некоторых аспектах применения возможна уль­ траакустика с сухим контактом.

(VI) Потребность в некоторых справочных стандартах для ка­ либровки оборудования и оценки/характеристики дефектов.

7.4. Классификация ультразвукового тестирования

Ультразвуковые волны, падающие на поверхность двух сред, час­ тично отражаются/преломляются в среду. Когда ультразвуковые волны наталкиваются на дефект во второй среде, происходит их отражение/преломление. Различные дефекты, с которыми встреча­ ются волны, можно распределить на группы втабличной форме:

Ниже приведена схема, которая дает общую картину методов тестирования с помощью объемных и поверхностных ультразву­ ковых волн.

Тем не менее чтобы получить общее представление об этих ме­ тодах и понять их с точки зрения профессионалов в области NDT, обсудим их в следующих формах:

(I) Импульсный эхо-метод. (II) Контактный метод.

(III) Сквозное прозвучивание. (ГУ) Иммерсионный метод.

(V) Поиск —захват (pitch catch) или тандем. (VI) Резонансный метод.

(VII) Метод поверхностной волны.

Далее приводится краткое описание вышеперечисленных ме­ тодов

7.4.1. Импульсный эхо-метод

Это наиболее часто используемый метод ультразвукового тести­ рования материалов. Звуковая энергия передается в тестируемую среду в виде импульсов. Эти импульсы генерируются и принима­ ются обратно через определенные промежутки времени (рис. 7.1). В течение короткого периода генерируется серия импульсов. Длительность импульсов и промежуток времени являются двумя

7.4.4. Иммерсионный метод

Этот метод является продолжением контактного метода контроля. Вданном методе тестируемый объект или образец погружают в ван­ ну с водой. Вода выступает в качестве связующей среды между тес­ тируемым объектом и преобразователем, что иллюстрирует рис. 7.5. Отражение волн от передней поверхности объекта, дефекта и за­ дней поверхности выводится на экран CRT(pm. 7.5). Среди прочих методов ультразвукового тестирования иммерсионному принадле­ жит главенствующая роль в том, что касается обнаружения дефек­ тов, автоматизации и получения изображений. Самым популярным является иммерсионный метод с использованием нормально пада­ ющего (прямого) луча. Регулируя угол падения генерируемого уст­ ройством луча относительно нормали к поверхности тестируемого объекта, можно создавать в тестируемой среде поперечные волны. Выбор частоты и вида волн зависит от типа дефекта, который пред­ стоит отыскать, геометрии образца и обследуемого материала.

Рис. 7.5. Тестирование материалов иммерсионным методом

7.4.5. Поиск — захват, или тандем

Данный метод можно реализовать либо с прямыми лучами (сквоз­ ное прозвучивание), либо с отраженными. В обоих случаях им­ пульсы ультразвуковой энергии проходят сквозь материал, а в точ­ ке выхода измеряются интенсивности этих импульсов. Временная развертка экрана осциллоскопа настроена на запуск одновре­ менно с начальным импульсом. При тестировании импульсным эхо-методом изображение переданного импульса появляется на экране справа от начального импульса (рис. 7.6). Главноедостоинс­ тво метода поиска - захвата заключается в том, что можно отделять отображения помех и побочных явлений от переданного импульса с помощью соответствующего им времени прохождения.

Другим полезным способом применения данной методики контроля является мониторинг сварочного процесса. Метод поис­ ка — ахвататакже можнореализовать с помощьюдвухпреобразую­ щих элементов, помещаемых в одной сборке. Экспериментальная установка показана на рис. 7.7. Данный тип преобразователей ис­ пользуется главным образом для тестирования толщины изделия и обследования коррозий. Когда к преобразующей установке добав­ лена линия задержки (рис. 7.7 и 7.8), можно тестировать тонкие срезы, равно как и контролировать толщину изделия.

7.4.6. Резонансный метод

Состояние резонанса существует, когда толщина материала рав­ на половине длины звуковой волны в материале или кратна ей. Контролировать длину волны в материале можно с помощью кон­ троля частоты. Если имеется передатчик с изменяемой частотой, его можно настроить так, чтобы вызвать резонансное состояние для толщины тестируемого образца. Данное состояние можно лег­ ко распознать по увеличению амплитуды принятых импульсов. Зная основную (собственную) резонансную частоту/и скорость [/ультра­ звука в образце, можно рассчитать толщину /тестируемого образца:

(7.1)

Поскольку распознать режим основных колебаний достаточ­ но сложно, основные частоты получают из разностей двух сосед­ них гармоник, которые изображаются в виде двух соседствующих пиков в амплитуде импульса. Поэтому толщина:

где7 ^ —частота исходной гармоники, 7 ^ —частота (и-1 )-й моды колебаний.

7.4.7. Поверхностные волны

Поверхностные волны используются во многих областях техники, особенно в авиации и автомобилестроении. С помощью поверх­ ностных волн проводится все больше и больше обследований ма­ териалов нового поколения, к которым относятся композицион­ ные материалы и керамика. Применяя подходящие поверхностные волны (различные виды волн, см. главу2 ), можно выявлять поверх­

ностные и подповерхностные дефекты в пластинах, на искривлен­ ных поверхностях или в любых образцах со сложной геометрией. Большая часть энергии поверхностной волны сосредоточена у по­ верхности. Данное преимущество позволяет тестировать длинные образцы на наличие поверхностных (подповерхностных) дефектов. Однакодля сталелитейной промышленности использование повер­ хностных волн с целью обнаружения дефектов нехарактерно. Это связано с ограничением, которое проявляется в том, что если ка­ чество обработки поверхностей объекта оставляет желать лучшего, волны стремительно затухают, ограничивая диапазон тестирования и усиливая погрешности в измерениях. Часто присутствие масла/ смазки на тестируемом объекте также ограничивает получение тре­ буемых результатов. Волны Лэмба применяются для исследования характеристик металлических пластин и комбинированных плит. Волны Стоили используются для мониторинга коррозии, образу­ ющейся в местах соединения двух пластин, в то время как повер­ хностные волны Рэлея являются наиболее популярным способом обнаружения открытыхдефектов поверхностей.

7.5.Разновидности импульсного эхо-метода

Вобласти ультразвукового тестирования материалов наиболее предпочтительной является импульсная эхо-техника. В импульс­ ной эхо-технике выделяются несколько методов и подходов к об­ наружению дефектов в материалах. Наиболее распространенные из них можно обобщенно разделить на две категории: контактные

ииммерсионные. В контактном методе зонд находится в непос­ редственном контакте с тестируемым образцом, а в качестве про­ слойки, способствующей лучшей передаче ультразвуковых волн в материал, служит тонкая пленка жидкости. В иммерсионном методе зонд опосредованно связан с тестируемым образцом через водяной столб, обеспечивающий передачу ультразвуковых волн в материал. Далее описаны оба эти метода.

7.5.1. Контактный метод

Ультразвуковое тестирование контактного типа подразделяется на три группы:

(I) прямой луч; (II) наклонный луч; (III) поверхностная волна. Следующие подразделы посвящены описанию этих методов с

соответствующими иллюстрациями.