Методические указания

к лабораторным работам по дисциплине

«Технология судостроения»

Нижний Новгород

2005

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Ультразвуковой метод контроля сварных швов

2.1. Цель работы

Ознакомиться с методами ультразвукового контроля (УЗК) судо­вых конструкций: дефектоскопии сварных швов, замера толщин при од­ностороннем доступе, дефектоскопии деталей судоых систем и уст­ройств с помощью прибора ДУК-66ПМ.

Ознакомиться с уст­ройством и работой приборов.

2.2. Общие сведения

Высокие требования предъявленные контрольными органами на су­достроительном предприятии к качеству корпусных конструкций вызы­вают необходимость наличия достаточно надежных и по возможности простых методов выявления дефектов. Широко распространенные в настоящее время методы просвечива­ния конструкций и деталей рентгеновскими и гамма-лучами позволяют производить только выборочный контроль и трудоемки. Надо отметить, что они не гарантируют выявление наиболее опасных дефек­тов - трещин, если они расположены в плоскости, составляющей с направлением лучей угол более 5-15⁰.

Методы ультразвуковой дефектоскопии свободны от этих недос­татков и позволяют осуществлять непрерывный контроль. В их основу положен принцип зависимости характера распространения ультразвуко­вых волн от свойств данной среды.

Ультразвуковыми волнами называют упругие колебания материаль­ной среды с частотой выше порога слышимости, т.е. выше 20000 гц. Одним из основных свойств ультразвуковых волн является прямолиней­ность их распространения. Скорость распростраения прямопропорцио­нальна модулю упругости и обратно пропорциональна плотности среды :

С = K

K -коэффициент отражения энергии звукового луча. Для стали С = 6060 м/сек, железа С =5170 м/сек, воздуха С = 335 м/сек.

Проходя через различные среды, звуковые волны отражаются от грани раздела этих сред (например, металл-воздух, металл-жидкость) и лишь частично проходят, преломляясь, из одной среды в другую. Эта способность отражения от границ раздела двух сред, обла­дающих разными акустическими свойствами, используется для обна­ружения дефектов в металле. Акустическое сопротвление любой среды характеризуется произведением скорости распространения звука в данной среде с на ее плотность.

Коэффициент отражения энергии звукового луча К от поверхности раздела двух сред с различными упругими свойствами при нормальном падении волны определяется из выражения:

При акустическом сопротивлении стали = 4760 г/с/см² и воздуха = 43 г/с/см² следует, что ультразвуковые волны при переходе из стали в воздух почти целиком отразятся от поверхности раздела, так как в этом случае K=1. Наоборот, в том случае, если акустические сопротивления соприкасающихся сред близки по ве­личине или равны, K=0, т.е. ультразвуковые волны без отражения от повехности раздела перейдут из одной среды в другую. Таким образом, ультразвуковой луч, направляемый в сплошной однородный металл, будет проходить в нем без отражения лишь с пос­тоянным ослаблением или затуханием.

В том случае, если в металле встретятся трещины, раковины или другие дефекты, ультразвук не будет проходить в нём безпрепятственно, а отразится от поверхности раздела (т.е. границ дефекта) и этим просигнализирует о наличии дефектов внутри металла.

Ультразвуковые колебания можно последовательно преобразовы­вать в электрические и механические и получать так называемый пь­езоэлектрический эффект. Для указанной цели из кристаллов кварца, сегнетовой соли или титаната бария изготовляют плоские круглые пьезопластинки различ­ного диаметра и толщины.

Если к пьезопластинке приложить переменное напряжение, то пластинка под действием электрических зарядов начнет изменять свои размеры. На этом принципе (рис.2.1) работают ультразвуковые колеба­ния с частотой до нескольких миллионов герц, со специальными щупа­ми.

Рис. 2.1. Схема ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие

1-акустическая головка 2-дефект 3-деталь конструкции 4-пьезоэлемент

Рис. 2.2. Схемы отражения и преломления звуковой волны на границе раздела двух сред: a- принимаемая; б - действительная.

Рис.2.3. Схема прозвучивания угловых соединений

В зависимости от особенностей конструкции и условий контроля применяются щупы прямые - цилиндрические и косые - призма­тические. Для контроля сварных швов применяются в основном призматичес­кие щупы, направляющие ультразвуковые волны под углом к поверхнос­ти изделия.

Закон преломления звуковой волны (рис.2.2) определяется равенс­твом

где С₁ , С₂ - скорости звука соответсвенно в первой и второй средах. Зная скорости распространения звука в призме щупа и в изделии, угол ввода луча можно определить через угол падения из соотношения: , а следовательно, и направление ультразвуковой волны в изделии, которое может дать представление о сплошности в направле­нии посланной ультразвуковой волны. Кроме вышеуказанных, появляются еще волны, направленные под углом (рис.2.2).

Осотенно широкое распространение для судовых конструкций получили волны вводимые под определенными уг­лами к поверхности изделий. При этом в зону шва попадают только поперечные волны под определнным углом преломления, а продольные волны будут отражаться от поверхности изделия и целиком гаситься в призме щу­па. Для границы плексиглас - сталь при углах падения продольных волн: = 30⁰, 40⁰, 50^о, 60⁰, 61⁰ углы

поперечных волн соответсвенно: = 35⁰, 47⁰, 61⁰, 82⁰, 90⁰. Угол распространения определяет места расположения дефектов.

Перед контролем сварного шва поверхность его близлежащих участков металла должна быть зачищена и смочена минеральным маслом. Процесс контроля заключается в постепенном передвижении щупа (зигзагообразными движениями) вдоль шва. При этом ультразвуковой луч пронизывает сечение шва в направлении, заданном углом расп­ространения поперечных волн (рис.2.3 и 2.4).

Рис. 2.4 Схема прозвучивания стыковых соединений.

Прозвучивание прямым лучём

При наличии дефекта (несплошности) часть ультразвуковых лучей отразится от поверхности раздела металл-дефект и вернется в призму щупа и пьезопластинку (рис.2.1), а на горизонтальной развертке труб­ки дефектоскопа появятся вертикальные выплески - импульсы, харак­теризующие наличие дефектов в сварном шве. Ультразвуковой контроль позволяет выявить дефекты, как в ме­таллах, так и в неметаллических упругих материалах. Ультразвуковым контролем выявляются внутренние дефекты свар­ных швах (трещины, непровары, газовые и шлаковые включения) и ус­танавливается их расположение. Ультразвуковые дефектоскопы марок ДУК-66-ПМ и позволя­ют определять глубину расположения дефектов.

При ультазвуковом контроле применяют дефектоскопы, представ­ляющие собой прибор, весящий 12-15 кг, который легко может перено­ситься одним человеком. В отличие от рентгено- и гаммаграфирования для ультразвуково­го контроля достаточно иметь доступ с одной стороны сварной конс­трукции, что позволяет производить контроль корпусных конструкций с установленным оборудованием и насыщением. Контроль сварных швов возможен при любом их пространственном расположении.

Ультразвуковым методом контроля можно выявлять очень мелкие дефекты, которые рентгено- и гаммаграфированием не выявляются.

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют путем соответсвующей установки режимов контроля регулировать чуствительность прибора, т.е. выявлять более крупные дефекты, пропуская мелкие, которые по техническим условиям считаются допустимыми.

И, наконец самое главное их преимущество - это полная безвредность работы, как для непосредственных исполнителей контрольных операций - опе­раторов, так и для окружающих.

Ультразвуковой метод контроля имеет ряд недостатков, например нельзя обнаружить дефекты, находящиеся на поверхности изделия на незначительной глубине. Вследствие этого контроль сварных швов затруднителен на сое­динениях толщиной менее 8 мм.

При ультразвуковом методе контроля требуется обязательное применение контактирующей жидкости т.е. обязательное смачивание околошовной поверхности водой или минеральным маслом, что весьма нежелательно для последующего исправления дефектных мест.

Следует отметить, что контроль в потолочном положении услож­няется из-за сложности нанесения контактирующей жидкости, однако здесь может быть применено более густое минеральное масло.

Характер дефекта и его точные размеры ультразвуковым методом установить нельзя, однако обнаружение наличия внутренних несплош­ностей, их места расположения и протяженности позволят с достаточ­ным основанием давать оценку качества сварного шва.

Обнаруженные дефектные участки отмечают непосредственно на конструкции и фиксируют в соответсвующих журналах. Применение ультразвука при контроле сварных швов дает значительный экономи­ческий эффект.

Достаточно сказать, что число контролируемых участков при применении ультразвукового метода контроля по сравнению с гамма- и рентгенографированием за одно и то же время увеличивается соот­ветственно в 6 и 8 раз.

2.2.1. Искательные головки

Преобразование электрических колебаний в ультразвуковые и на­оборот осуществляется в искательных головках с помощью посеребрен­ных пластин керамики титанового бария. Для быстрого гашения коле­баний пластины головки снабжены специальными демпферами .

Следует иметь ввиду, что головки при неумелом обращении часто выходят из строя. Поэтому нельзя допускать их ударов о деталь, бесцельно водить ими по поверхности детали, подвергать воздействию высокой температуры и т.д.

Искательные головки разделяются по рабочей частоте излучения на головки с частотой 0,6; 1,8; 2,5 и 5,0 МГц; по характеру излу­чения и приема УЗК - на совмещенные и раздельно-совмещенные и по направлению излучаемых УЗК - на нормальные и призматические (нак­лонные), которые в свою очередь, подразделяются на головки с углом наклона луча в =30⁰, 40⁰ и 50⁰. Выбор необходимой для работы головки определяется следующими соображениями. Рабочее частоты зависят от величины зерна в материале изделия. Для контроля материалов, имеющих мелкозернистое строение, целесообразно использовать частоты 2,5 и 5 МГц.

Если материал име­ет крупнозернистую структуру, то работа на высоких частотах будет затруднена или невозможна вследствие большого рассеяния УЗК. При этом на экране прибора появится большое количество шумов. В этих случаях рабочая частота должна быть понижена. Выбор чатоты зависит также от обработки поверхности и толщины контролируемого изделия. Чем хуже чистота поверхности и больше толщина изделия, тем ниже следует выбирать частоту УЗК. Следует учи­тывать, что на более низких частотах понижается чувствительность прибора и увеличивается мертвая зона (минимальная глубина обнару­жения дефекта).

Как правило, искательные головки выполняются совмещенными, т.е. излучение волн и их прием производится одной и той же пластиной. В то же время для увеличения чувствительности прибора (для обнаруже­ния дефектов на минимальных глубинах до 1 мм, для измерения не­больших толщин и т.д. целесообразно использовать раздельно-совме­щенную головку, в которой имеется две пластины титаната бария - излучающая (генераторная) и приемная. Они разделены экраном, кото­рый защищает приемный пьезоэлемент от наводок колебаний ультразву­ковой частоты и высокочастотных колебаний излучающего отсека.

С помощью нормальной головки, в связи с тем, что волны выходят перпендикулярно к ее нижней поверхности, можно обнаружить дефекты только "прямым" прозвучиванием. В том случае, когда головку нельзя установить непосредственно над исследуемым участком, используют головку призматическую, которая излучает продольные волны, преоб­разующиеся при вводе в деталь в поперечные колебания.

Применяя головки с разным углом ввода колебаний, а также пе­ремещая головку таким образом, чтобы пучок ультразвуковых волн от­разился от границ детали необходимое число раз, можно исследовать практически любую ее область. Угол ввода колебаний выбирается та­ким, чтобы расстояние от искательной головки до контролирующей зо­ны было наименьшим, а направление луча - приблизительно перпенди­кулярным сечению дефектов, в котором площадь их максимальна.