Неразрушающие методы контроля материалов. Учебное пособие

Наклонный преобразователь предназначен:

–для обнаружения дефектов и определение их размера;

–контролятруб,поковокиотливок,атакжедругихконструкционных элементов на наличие дефектов или трещин в сварных швах.

Характеристики наклонного преобразователя:

–частота f, МГц;

–точка выхода и стрела (ГОСТ 23829–85);

–угол призмы Р и угол ввода α в контролируемое изделие;

–размер пьезопластины;

–протяженность ближней зоны N;

–размер мертвой зоны (мертвая зона зависит от угла призмы, толщиныконтролируемыхизделийитребуемойчувствительности контроля, и ее минимальный размер может составлять примерно

3 мм);

–предельная чувствительность;

–ширина диаграммы направленности в плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости.

Призма обеспечивает наклонное падение продольных волн на границу раздела с изделием, где происходит трансформация волн,врезультатечеговизделиевводитсяволназаданноготипа. Тип волны и угол ввода α определяются по закону Снеллиуса исходя из соотношения скоростей звука в призме и изделии

иугла призмы:

sin p = sin α.

Cпр Cизд

Возможность измерения расстояния до несплошности ультразвуковымметодомопределяетсяпостояннымдляданногоматериала значениемскоростираспространенияультразвуковыхколебаний.

Местоположениедефектавсварномшвеопределяюттрикоординаты (рис. 6.8):

–h (у) – глубина залегания дефекта;

–х – расстояние от точки выхода луча до проекции дефекта на поверхность сканирования;

71

Также при контроле следует учитыватьрасстояниеrдодефекта по ходу луча.

динат при эхометоде контроля состоит в измерении временного интервала от зондирующего импульса до эхосигнала от дефекта и пересчете его в координату. Из этого времени следует исключить времяраспространенияимпульсавматериалепризмыприконтроле наклонными и прямыми раздельно-совмещенными ПЭП и время распространениявпротекторепрямогосовмещенногоПЭП.При контроле эхометодом в совмещенном режиме этот параметр времени учитывается два раза.

Измерениянеобходимопроводитьвследующейпоследовательности:

–подключить к прибору наклонный одиночный УЗ-датчик;

–переключить прибор в режим работы с одиночным УЗ-дат- чиком;

–настроить подключенный датчик и призму;

–откалибровать скорость ультразвука и задержку призмы по контрольным образцам;

–исследовать стальную плиту при помощи наклонного датчика;

–составить карту дефектов плиты по результатам исследования.

В отчете должны быть приведены:

–описание установки;

–методика проведения измерений;

–эскиз плиты с указанием расположения дефектов.

72

6.3. Построение карты дефектов стальной плиты при помощи прямого УЗ-датчика

Схема работы раздельно-совмещенного прямого УЗ-датчика показана на рис. 6.9.

Рассмотрим составные детали датчика.

Условные обозначения: И – источник, П – приемник.

1.Демпфер,ккоторомуприклеиваетсянеизлучающаявобъект контроля сторона пьезопластин. Он способствует гашению колебаний (демпфированию) и получению короткого импульса, при этом мощность зондирующего импульса и чувствительность преобразователя уменьшаются, а также повышает прочность тонкой и хрупкой пьезопластины.

1

2

3

4

6

5

F

Рис. 6.9. Схемараздельно-совмещенного прямогоУЗ-датчика

73

2.Пьезопластины. Они могут быть наклонены под углом от 0° до 12° по отношению контактной поверхности, определяющим фокусное расстояние F, мм.

3.Призмыизоргстекла,полиимидаилиплавленогокварца(могутбытьдругиематериалы).Онисоздаютакустическуюзадержкуи позволяютсущественносократитьмертвуюзону,приэтомуменьшают амплитуду зондирующего импульса.

4.Электроакустический(разделительный)экран,разделяющий излучатель и приемник.

5.Протектор, предохраняющий преобразователь от повреждений и истирания (иногда может отсутствовать).

6.Корпус преобразователя.

7.Разъемы для подключения преобразователя к прибору.

8.Тоководы.

9.Разделительный экран.

Основные характеристики УЗ-датчика:

–частота f, МГц;

–фокусное расстояние F, мм (обычно фокусное расстояние равно 8 ± 2 мм);

–размеры пьезопластин;

–размермертвойзоны(1–3мм),связаннойсналичиемэхосиг- нала от границы «призма – контролируемое изделие»;

–предельная чувствительность.

Нарис.6.10приведенпримерработыраздельно-совмещенного преобразователя. Раздельно-совмещенные преобразователи оснащеныдвумяпьезоэлементами,размещеннымиводномкорпусе и разделенными акустическим экраном. Один элемент является генератором продольных волн, а другой – приемником сигнала.

Два расположенных под углом элемента создают V-образный звуковой путь в материале. Этот псевдофокус позволяет улучшить разрешение в зоне фокуса.

Преимущества раздельно-совмещенного преобразователя:

–улучшенное приповерхностное разрешение;

–устранение эхосигналов линии задержки при проведении высокотемпературных измерений;

74

Рис. 6.10. Приемы работы с раздельносовмещенным преобразователем

–хороший контакт на шероховатых и искривленных поверхностях;

–уменьшениешумаприконтролекрупнозернистыхматериалов или материалов с высокой степенью рассеяния ультразвука;

–сочетание проникающей способности низкочастотных совмещенных преобразователей с хорошей приповерхностной разрешающей способностью, характерной для высокочастотных совмещенных преобразователей;

–возможное использование на объектах с искривленной поверхностью.

Раздельно-совмещенный преобразователь применяется:

–для измерения остаточной толщины стенок;

–контроля коррозии (эрозии);

–контроля сварки и целостности плакировки;

–обнаружения пористости, включений, трещин и расслоений

вотливках и поковках;

–обнаружения трещин в болтах и других изделиях цилиндрической формы.

Измерениянеобходимопроводитьвследующейпоследовательности:

–подключить к прибору прямой раздельно-совмещенный УЗ-датчик;

75

–переключить прибор в режим работы с одиночным УЗ-дат- чиком;

–настроить подключенный датчик и призму;

–откалибровать скорость зультразвука и задержку призмы по контрольным образцам;

–исследовать стальную плиту при помощи прямого раздель- но-совмещенного УЗ-датчика;

–составитькартудефектовплитыпорезультатамисследования. В отчете должны быть приведены:

–описание установки;

–методика проведения измерений;

–эскиз плиты с указанием расположения дефектов.

6.4.Построение карты дефектов стальной плиты при помощи УЗ-датчика на фазированных решетках

Ультразвуковойконтрольсварныхсоединенийсиспользованием фазированной решетки (PhasedArray) – современный и наиболее эффективныйспособвыявлениядефектовсварныхшвовиосновного металла. Метод ультразвуковой диагностики с применением фазированнойрешеткипозволяетвестиконтрольсамыхсложных объектовбезпримененияболеедорогих(из-зарасходныхматери- алов)методов,такихкакрадиографический,магнитопорошковый иликапиллярный.ПомнениюРоссийскогообществапонеразрушающему контролю (РОНКТД), метод фазированной решетки – один из наиболее перспективных методов контроля в будущем.

Принцип ультразвукового контроля основан на способности луча отражаться от дефекта в исследуемом материале. Результат традиционногоУЗКвыводитсяввидеА-скана.Методфазирован- нойрешетки(рис.6.11)являетсямножествомА-сканов,количество которыхзависитотчислапреобразователейвфазированномдатчи- ке.ВдальнейшемэтомножествоА-скановпреобразуетсявS-скан, позволяющий визуализировать структуру материала.

Отличительной чертой ультразвукового контроля фазированными решетками является возбуждение (амплитуда и задержка)

76

Рис. 6.11. Блок-схема работы датчиков на фазированных решетках

отдельных элементов в многоэлементном преобразователе с компьютера. Возбуждение одновременно нескольких элементов фазированного ПЭП (с помощью ПО) позволяет генерировать сфокусированный ультразвуковой луч с возможностью динамически изменять параметры ультразвукового луча: угол ввода, фокусное расстояние и размер фокусного пятна. Для генерации луча в фазе посредствомконструктивнойинтерференции,различныеактивные элементыпреобразователявозбуждаютсяпоочередиснебольшим временныминтервалом(рис.6.12).Аналогичнымобразом,эхосигнал,отраженныйотжелаемойфокальнойточки(отражателявобъектеконтроля),ударяетпоразличнымэлементампреобразователя с вычисленной задержкой по времени. Эхосигналы, полученные каждымэлементом(сучетомихвременныхзадержек),суммируют- ся.РезультатомсуммированияявляетсяА-скан,которыйусиливает эхосигнал от заданной фокальной точки и ослабляет эхосигналы от других точек объекта контроля.

Методфазированнойрешеткинепротиворечитпринятымстандартам традиционного УЗК, так как является одним из способов генерированияультразвуковыхволн.Например,еслинормативом предписан контроль датчиком с углом ввода 45°, это дает возможностьиспользоватьфазированнуюрешетку,поскольку,генерируя

77

Задержка, нс

ФР ПЭП

Регулировка угла ввода

Фронт падающей волны

Рис. 6.12. Схема распространения ультразвуковой волны в методе фазированной решетки

45°

Рис. 6.13. Схема измерения в методе фазированной решетки

лучиподмножествомуглов,контроллерможетвыбратьлучснужным углом и другими регламентированными параметрами.

Фазированные датчики представляют собой объединенное на однойпьезоэлектрическойпластинемножествоультразвуковыхпреобразователей.Вседатчикиимеютодинрядэлементов,т.е.являются линейнымифазированнымипреобразователями,управляющимися воднойплоскости.Каждыйэлементрешеткисинхронизируетсяиндивидуальноиуправляетсяпроцессоромдефектоскопа.Перемещая

78

курсорпокраямдефекта(курсорпредставленвдекартовыхкоординатах),можнополучитьболееподробнуюинформациюоразмерах дефекта, его глубине и площади.

Длятогочтобысоздатьлучподтребуемымугломисопределеннойфокусировкой(рис.6.13),отдельныеэлементыПФРвозбуждаютсяснекоторымвременныминтервалом.Программноеобеспечениепозволяетуправлятьугломвводалуча,фокуснымрасстоянием и размером фокусного пятна. Эхосигнал от требуемой фокальной точкипоступаетнаотдельныеэлементыПФРвразличныемоменты времени, которые могут быть рассчитаны.

Эхосигналы на каждом элементе задерживаются по времени, затем суммируются. Их сумма фиксируется на А-скане, который отражаетусиленныйоттребуемойфокальнойточкииослабленный эхосигналы от всех остальных точек на пути луча.

Технология фазированных решеток предполагает управление множеством сигналов многоэлементного ПФР. Результирующим сигналом является стандартный РЧ-сигнал (или А-скан), сопоставимый с сигналом любой системы с преобразователем с фиксированным углом ввода. Этот сигнал можно проанализировать, обработать,отфильтроватьилиграфическипредставить,каклюбой А-сканвсистемеУЗК.В-сканы,С-сканыиS-сканы,построенные на базе А-скана, аналогичны разверткам в традиционной системе УЗК.Отличиелишьвтом,чтоконтрольподразнымиугламиможет осуществляться с использованием одного преобразователя.

Мультиплексирование позволяет выполнять сканирование без перемещения ПФР: фокусированный луч генерируется с использованием небольшого числа элементов ФР-преобразователя. Луч затем перемещается (мультиплексируется) к другим элементам для выполнения высокоскоростного сканирования объекта без передвижения ПФР вдоль оси.

ИзодногоположенияПФРможновыполнитьнесколькосканов под разными углами.

Данныйпринципможетприменятьсядляпроведенияконтроля плоскихобъектов(рис.6.14)сиспользованиемлинейногоПФРили при контроле труб и прутков с использованием вогнутого преобразователя.

79

Активная группа

16

Направление сканирования

Рис. 6.14. Схема сканирования датчиком с фазированной решеткой

Высокоскоростноелинейноесканирование:системынафазированныхрешеткахмогуттакжеиспользоватьсядляконтроляплоскихповерхностей(например,толстолистовойстали).Посравнению с широким одноэлементным преобразователем («малярной кистью») фазированные решетки обеспечивают высокую чувствительность за счет малого диаметра сфокусированного луча.

На рис. 6.15 приведены изображение экрана и схема работы с датчиком на фазированных решетках.

При ручном сканировании отображение показаний в режиме реального времени позволяет быстро позиционировать источник отраженного сигнала относительно геометрии объекта и/или положения ПФР.

Показания PA, RA, DA и SA позволяют точно определить местоположение дефекта во время контроля и в режиме реального времени.

RA: Расстояние от опорной точки до показания в стробе А. РА: Расстояние от фронта ПФР до показания в стробе А. DА: Глубина индикатора в стробе А.

SА: Путь ультразвука до показания в стробе А.

Приведем основные технические преимущества метода фазированной решетки:

80