-

ФИЛИАЛ ОАО «РЖД»

СЕВЕРНАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА

ЦЕНТР ПОДГОТОВКИ ДЕФЕКТОСКОПИСТОВ

ЯРОСЛАВСКОГО УЧЕБНОГО ЦЕНТРА

М.Н.Преображенский

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Краткое пособие для подготовки экзамену

Ярославль

2010

Настоящее пособие предназначено для повторения материала учащимися групп повышения квалификации операторов дефектоскопных тележек и дефектоскопистов по магнитному и ультразвуковому контролю перед сдачей экзамена по ультразвуковой дефектоскопии.

Пособие составлено в соответствии с программами обучения и содержит достаточный объем материала для ответов на вопросы экзаменационных билетов.

Вопросы из экзаменационных билетов групп КОДТ, КДФ

(в скобках указаны номера страниц с ответами)

1. Ультразвук. Типы УЗ волн. Характеристики УЗ волны (2).

2. Нормальное падение УЗ волн на границу раздела сред. Коэффициенты отражения и прозрачности (11). Затухание ультразвука (6).

3. Наклонное падение УЗ волн на границу раздела двух сред. Закон Снеллиуса, критические углы (13).

4. Излучатели и приемники ультразвука, их характеристики (7).

5. Конструкция прямых, наклонных и раздельно-совмещенных преобразователей. Структура их условного обозначения (10).

6. Параметры зондирующего импульса (17). Методы УЗ дефектоскопии: импульсный эхо-метод (23), зеркально-теневой метод (21), зеркальный метод (24).

7. Диффузное и зеркальное отражение УЗ от поверхностей дефектов (26). Основные измеряемые характеристики дефекта при импульсном эхо методе: амплитуда сигнала (26), координаты дефекта (27).

8. Основные измеряемые характеристики дефекта при импульсном эхо методе: условные размеры дефекта (29).

9. Основные параметры контроля рельсов при импульсном эхо методе. Порядок их настройки и эталонирования (30, 31).

10. Основные параметры контроля при зеркально-теневом методе. Порядок их настройки и эталонирования (30, 33). Виды помех при ЗТМ (24).

11. Развертки А-типа и В-типа (16, 18).

М.Н.Преображенский, начальник Центра подготовки дефектоскопистов Ярославского учебного центра Северной железной дороги – филиала ОАО «РЖД»

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии по неразрушающему контролю, протокол № 10 от 10.12 2009 г.

1. Ультразвук

1.1. Типы и характеристики ультразвуковых волн

Ультразвук представляет собой процесс распространения механических колебаний частиц среды с частотой от 20 кГц до 1000 МГц, сопровождающийся переносом энергии и не сопровождающийся переносом вещества. Отдельные частицы вещества при этом совершают колебания с некоторой амплитудой А (максимальное отклонение от положения равновесия) около своих положений равновесия (рис. 1.1, а). Время, за которое совершается полный цикл колебаний называется периодом (Т). Колебательное движение отдельных частиц передается и вызывает ультразвуковые (акустические) волны, благодаря наличию упругих связей между соседними частицами. Упругость – свойство частиц среды возвращаться к первоначальному положению.

В общем случае колебания частиц среды около положения равновесия могут происходить вдоль направления распространения волны, перпендикулярно направлению распространению волны или более сложным образом.

а б

в

г

Рис. 1.1. Характер смещений колеблющихся частиц, соответствующий различным типам упругих волн: а) – продольная волна; б) – поперечная волна; в) – поверхностная волна. А – амплитуда колебаний частиц, Т – период, λ – длина волны

Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в том же направлении, в котором распространяется волна, называют продольной (рис. 1.1 б). Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разрежения, повышенного и пониженного давления. Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах, то есть в любых средах. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны.

Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения, называют поперечной или сдвиговой (рис. 1.1 в). Поперечные волны могут распространяться только в твердых средах.

Продольные и поперечные волны носят общее название объемных, поскольку могут распространяться внутри (в объеме) вещества.

В твердом теле, кроме продольных и поперечных (объемных), существуют также специфические волны, которые могут распространяться вдоль поверхности – поверхностные волны (волны Рэлея). Поверхностные волны – это упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной (граничащей с вакуумом или газом) или слабо нагруженной (с жидкостью) границы твердого тела. Интенсивность поверхностной волны быстро уменьшается с глубиной (1,5…2) и они могут быть использованы для обнаружения только поверхностных и приповерхностных дефектов.

Поверхностные волны распространяться на большие расстояния, как по плоской, так и по изогнутой гладкой поверхности изделия практически без затухания. Частицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 1.1 г), большая ось которой перпендикулярна границе.

Непрерывная поверхность, соединяющая все точки волны, в которые волна дошла одновременно называется волновым фронтом. В зависимости от геометрической формы волнового фронта различают следующие виды волн: сферическая, цилиндрическая, плоская.

Основными характеристиками ультразвука являются скорость распространения (С), длина волны (), интенсивность (I), частота (f) и тип волны. Частота это величина обратная периоду (Т) и она показывает, сколько колебаний совершается в единицу времени (секунду). Скорость ультразвуковой волны зависит от физических свойств среды, в которой она распространяется и различна для разных типов волн. Для металлов скорость продольной ультразвуковой волны примерно в два раза больше скорости поперечной ультразвуковой волны. Так для стали С 1,8С_t (или С_t0,55С_l)_, а скорость поверхностной волны немного меньше скорости поперечной: С_R0,93С_t Таким образом максимальную скорость имеют в твердом материале продольные волны.

Длина волны – это минимальное расстояние между областями, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (в одной фазе). Длина волны связана с частотой и скоростью соотношением:

 = C/f = СТ. (1.1)

Таким образом, можно сказать, что длина волны это расстояние, которое волна проходит за один период. Из соотношения между скоростями различных типов видно, что наименьшая длина волны в данном материале на фиксированной частоте будет у поверхностной волны.

От длины волны зависит минимальный размер обнаруживаемых дефектов. Основной способ обнаружения дефектов в ультразвуковой дефектоскопии основан на регистрации сигналов, отраженных от дефектов. Если размер дефекта меньше длины волны, то такой дефект волна огибает, отраженного сигнала не возникнет и дефект не обнаруживается. Поэтому поперечные волны в общем случае (в данном материале для данной частоты) более чувствительны к небольшим неоднородностям в объеме, чем продольные волны. Так для частоты f=2,5 МГц (основная частота используемая в дефектоскопии) при скорости поперечной волны в стали С_t=3260 м/с длина волны составит _t= С_t/f=1,28 мм, а продольной _l =2,36 мм при скорости С_l =5900 м/с.

В пластинах или слоях могут распространяться волны Лэмба, а в стержнях с различной формой поперечного сечения волны Порхгамера. Эти волны называют нормальными волнами, поскольку они образуют систему стоячих волн и колебаний в поперечном (нормальном) сечении образца.

При распространении ультразвуковая волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку перпендикулярную к направлению ее распространения, называют интенсивностью волны (I). Интенсивность волны I пропорциональна квадрату амплитуды колебаний частиц (IА²). На практике измеряют отношение амплитуд электрических сигналов преобразователей (будем обозначать буквами U₁ и U₂), которые в свою очередь пропорциональны амплитудам колебания частиц А₁ и А₂. Единицей измерения в этом случае является децибел:

N (дБ) = 10 lg (I₁/I₂) = 20 lg(А₁/А₂) = 20 lg(U₁/U₂) (1.2)

Для перевода относительных единиц – отношения амплитуд в децибелы можно пользоваться номограммой (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Перевод отношения амплитуд в децибелы

Из номограммы, в частности видно, что увеличению или уменьшении амплитуды сигнала в 2 раза соответствует 6 дБ. Если амплитуда одного сигнала на экране дефектоскопа составит 1 клетку, а второго весь экран – 10 клеток, то такие сигналы будут отличаться в 10 раз или на 20 дБ. Важно отметить, что измерение амплитуды (интенсивности) в дБ не зависит от абсолютных значений сигналов, а только от их отношения. Отношение амплитуд эхо-сигналов можно измерить, регулируя усиление дефектоскопа, последовательно устанавливая эти сигналы на порог срабатывания автоматической сигнализации дефекта (АСД).