книги / Применения ультразвука
..pdfинтересуют такие дефекты, как трещины, возникшие вследствие усталости и напряжения или образовавшиеся в процессе произ водства. Всегда стоит отыскивать всевозможные изъяны, прежде чем деталь попадет в эксплуатацию, чтобы избежать распростра нения дефектов, вызывающих выход из строя.
Рис. 7.66. Положение четкого эхо-сигнала от задней поверхности
Рис. 7.67. Неясная картина грубой поковки на экране CRT
Грубая зерновая структура способствует сильному затуханию и отчетливому рассеянию волны. Даже при использовании пря мого продольно-волнового зонда с частотой 1 . МГц в толстых по ковках иногда невозможно получить хотя бы один эхо-сигнал от задней поверхности (рис. 7.66). При тестировании кованых ком понентов в некоторых их необработанных частях можно получить средний размер зерна до 3 мм. Когда тестирование проводится в такой области, сложно решить, указывают ли признаки на зер новую структуру или на локальные неметаллические включения (рис. 7.67).
(III)Тестирование поковок, прошедших механическую и терми
ческую обработку
Проведение механических работ и обработки поверхности ко ваных деталей позволяет получить хороший акустический кон такт с зондом. Если деталь прошла термическую обработку (боль шей частью нормализационную), образуется мелкое зерно, а на экране CRT получается отчетливая картина без помех (рис. 7.68). Вышесказанное верно для ковок, состоящих из беспримесных и сплавных ферритных сталей. Различные виды дефектов поковки и их изображение на экране CRT показаны на рис. 7.69. В высо колегированных ферритных ковках при поиске небольших неод нородностей на экране наблюдаются признаки, указывающие на типичную интерференцию (рис. 7.70). Тестирование аустенитной нержавеющей стали — сложная задача, поэтому возможна только качественная оценка дефектов.
Рис. 7.68. Четкая картина без помех на экране CRT
Применение дефектоскопов 349
Рис. 7.69. Различные виды дефектов в поковках и изображение их эхо-сигналов на экране
Рис. 7.70. Помехи в отожженных кованых ферритных заготовках
7.8.4. Ультразвуковое обследование литья
Литье — это столь же важный металлургический процесс, как и ковка. При литье расплавленный металл наливают в форму, что бы получить компонент нужного вида. В зависимости от формы, разливаемого жидкого металла и способа охлаждения (в боль шинстве случаев неравномерное) в отливках возникает несколько видов дефектов. Для тестирующего важно понимать, как образу ются дефекты в отливках, прежде чем приступить к обследованию литого компонента. Далее обсуждаются наиболее распространен ные дефекты, а также методы их обнаружения.
Дефекты, вызванные усадкой материала
К таким дефектам относятся полости, которые образуются в процессе затвердевания (переход из жидкого состояния в твер дое). Эти дефекты обычно не связаны с газом, однако высокое его содержание неизбежно увеличивает их размеры. Дефекты усадки имеют место в стальных отливках, где наблюдаются локализован ные изменения толщины среза. Они также могут возникнуть в совмещенных сечениях, где проникновение подаваемого жидкого металла затруднено. Типичные места образования полостей по казаны на рис. 7.71. Там, где имеется локализованное изменение толщины среза, из-за неравномерности подачи расплавленного металла происходит перегрев, который имеет следствием усадоч ные раковины. Остроугольные соединения (Y-, X- или Y-типа) создают больше проблем по сравнению с соединениями типа Т или L. Дефекты усадки в стальных отливках можно обобщенно классифицировать по трем категориям: макроусадка, волокнис тая усадка и микроусадка.
Ниже головки питателя |
Вблизи отверстия для литья или литника |
Рис. 7.71. Типичное местоположение дефектов в V-, X- и Г-образных отливках
(1) Макроусадка Макроусадка представляет собой крупную полость, образо
вавшуюся в процессе затвердевания. Наиболее распространенной разновидностью является усадочная раковина, которая возника ет вследствие неправильной подачи материала. В хорошей конс трукции формирование усадочныхраковин ограничивает головка питателя. Взависимости от толщины литой заготовки выбирается тот или иной метод обнаружения дефектов.
Так, для срезов толщиной свыше 75 мм используется попе речно-волновой совмещенный зонд, в то время как для толщины менее 75 мм целесообразно применять раздельно-совмещенный зонд. О наличии дефекта свидетельствует полная потеря эхо-сиг нала от задней поверхности и появление нового эха, от дефекта. Для подтверждения информации, полученной с помощью попе речно-волнового зонда, следует воспользоваться наклонным зон дом (рис. 7.72).
I Эхо-сигнал I
I от дефекта
§
I
О |
5 |
10 |
Время
Рис. 7.72. Тестирование макроусадки с помощью 77?-и наклонных зондов
(2) Волокнистая усадка Это тоже крупная форма усадки, но она имеет меньшие фи
зические размеры, чем макроусадочная раковина. Полости мо гут быть пространственными, разветвляющимися и связанными между собой. Теоретически волокнистая усадка должна проис ходить вдоль центральной оси заготовки, но на практике это не всегда так, и в некоторых случаях она распространяется в сто рону поверхности отливки. Расширение в сторону поверхности может сопровождаться маленькими отверстиями или червото чинами. Если толщина сечения не превышает 75 мм, то волок нистую усадку можно обнаружить с помощью комбинированно го раздельно-совмещенного зонда. Эхо-сигналы от дефекта по
352 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
очертанию менее ровные, чем при макроусадке. Первоначальное сканирование должно проводиться с помощью зонда большого диаметра (23 мм), а окончательная оценка — с помощью зонда меньшего диаметра (10-15 мм) (рис. 7.73).
Рис. 7.73. Волокнистая усадка
(а) Располож ение |
(Ь) Экран C R T |
преобразователя и образца |
|
Рис. 7.74. Тестирование микроусадки совмещенным зондом
(3) Микроусадка
Микроусадка представляет собой очень мелкую волокнистую морфологию, связанную с усадкой или выделением газа во вре мя затвердевания. Полости образуются либо на границах зерен (межкристаллическая усадка), либо между осями дендрита (междендритовая усадка). С помощью поперечно-волнового зонда на
экране CRT получают изображение микроусадки, которая имеет вид помех, то есть группу относительно малых неярко выражен ных эхо-сигналов, занимающих некоторую часть временной раз вертки (рис. 7.74Ь). К примеру, при использовании 4—5-мегагер- цового зонда эхо-сигнала от задней поверхности может и не быть, что связано с рассеянием луча. Это позволяет предположить на личие большого угловатого дефекта. Однако выбор 1—2-мегагер- цового зонда может способствовать передаче через область де фекта. То есть к эхо-сигналу отдефекта прибавится эхо от задней поверхности, что докажет ошибочность впечатления о большой полости.
7 .9 . Д о с т и ж е н и я в у л ь т р а зв у ко в ы х н е р а з р у ш а ю щ и х
и с п ы т а н и я х
Одним из существенных недостатков ультразвукового тестиро вания является зависимость от оператора при оценке размера и характера дефекта. Операторы должны быть специалистами в данной области и иметь высокую квалификацию. Не так давно предпринимались попытки устранить этот недостаток с помощью робототехники, механизации, программирования и обработки данных для осуществления быстрой, достоверной и воспроизво димой оценки дефектов. Далее рассматриваются некоторые из этих техник, в которых используется автоматизированное скани рование на базе ПК с механическим зондированием частей ком понентов, а также сложные компьютерные программы для обра ботки и представления данных.
7.9.1. Метод фокусирования с помощью синтезированнойапертуры
Метод фокусирования с помощью синтезированной апертуры (SAFT) аналогичен акустической голографии, поскольку обе эти техники фокусируют луч на поверхности объекта, чтобы воспро извести большой расходящийся пучок. В основе SAFTлежит идея о том, что чем чаще луч сталкивается с неоднородностью, тем точ нее можно рассмотреть эту неоднородность. Сильно расходящий ся луч позволяет дольше рассматривать дефект. В данном методе использование маленького преобразователя, который производит сканирование на большой апертуре, создает эффект, будто бы
происходит фокусирование большим преобразователем. Когда преобразователь расположен непосредственно над дефектом, задержка времени при получении эхо-сигнала от дефекта мини мальна. При перемещении преобразователя в сторону от этого по ложения запаздывание увеличивается нелинейно. Кривая, опре деляемая отслеживанием пиковой амплитуды (в каждом элементе апертуры) при движении преобразователя параллельно поверх ности, является функцией скорости звука в материале, геометрии преобразователя и мишени.
Линия скомпенсированного сдвига фазы
Рис. 7.75. Обработкаданных, полученных /1-сканированием, с помощью синтезированной апертуры
Первым шагом обработки с помощью синтезированной апер туры является выбор совокупности апертурных элементов, кото рые будутобрабатываться как блок, называемый синтезированной апертурой (рис. 7.75). Сущность обработки SAFTсостоит во вве дении в геометрию системы тестирования временного сдвига для каждого отдельно взятого апертурного элемента, то есть во вве дении величины, противоположной временному запаздыванию. После этого индивидуальные сигналы от апертурных элементов суммируются, а результат присваивается центру выбранной апер туры. Если апертура расположена вне центра мишени, операции сдвига и суммирования производят слабый сигнал (деструктив ная интерференция). Сумма отражений от дефекта дает конструк-
тивный результат, а сумма других сигналов, таких как зерновые шумы, электронные шумы и т.д., —деструктивный. Как следс твие, получается хороший показатель отношения сигнал/шум для дефекта. Поскольку вдоль глубины тестируемого образца проис ходит одновременная фокусировка, достигается лучшая точность обнаружения и определения размера дефекта. Улучшенное разре шение по сравнению с традиционными методами проиллюстри ровано рис. 7.76.
Рис. 7.76. Улучшенное разрешение при обработке SAFT
Ниже приводятся примеры улучшенного определения размера дефектов методом SAFT в образце из аустенитной нержавеющей стали размером 500x100x40 мм с искусственными отражателями (щелями). Щели различной ширины, а именно 2, 3 и 4 мм, были проделаны на глубине 90 мм. Другой набор щелей шириной 5,6,7, 8,9 и 10 мм находится на глубине 80 мм. Щели равноудалены друг от друга с шагом 50 мм. В данном эксперименте применялись не сфокусированные преобразователи с частотой 2 МГц. Блок-схема испытательной установки системы SAFTи схематическое изобра жение образца приводятся на рис. 7.77.
В системе SAFT проводилось автоматизированное сканиро вание и цифровая запись ультразвуковых данных. На каждом шаге сигналы радиочастоты оцифровывались с частотой дискретизации 30 МГц. Движение шагового электродвигателя контролируется
Ультразвуковой дефектоскоп
Рис. 7.77. Блок-схема испытательной установки системы SAFTвместе с образцом
Рис. 7.78. Определение размеров щелей с помощью 2-мегагерцовых зондов различных диаметров: (а) точное определение размеров, (Ь) зонд диаметром 25 мм, (с) зонд диаметром 10мм, (d) зонддиаметром 6 мм