3.4. Основные методы ультразвукового контроля

Классификация акустических методов контроля показана на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Классификация акустических методов контроля

Из большого многообразия методов акустического контроля (ГОСТ 23829—79), для контроля сварных швов применяют эхо-метод, теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный метод, дельта-метод.

Эхо-метод (рис. 3.10) основан на регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта. Кроме преимущества одностороннего доступа он также имеет наибольшую чувствительность к выявлению внутренних дефектов (S_min^плоск≈ ≈0,5 мм² и 2b=0,8 мм), высокую точность определения координат дефектов. К недостаткам метода следует отнести, прежде всего, низкую помехоустойчивость к наружным отражателям, резкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта. Этим методом контролируют около 90% всех сварных соединений толщиной 4 мм и более.

Р асчёт эхо-сигнала по АРД-диаграмме. Для плоскодонного отверстия, чаще других используемого в качестве искусственного отражателя, и полуплоскости разработаны удобные способы расчёта максимальных эхо-сигналов, применяемые для широкого диапазона диаметров.

Плоскодонное отверстие. Амплитуды максимальных сигналов от от плоскодонных отверстий определяют с помощью семейства кривых амплитуда-расстояние-диаметр (АРД-диаграмм). На рисунке 3.11 даны безразмерные АРД-диаграммы с линейным масштабом по оси абсцисс, на которой отложено приведённое расстояние (r/r6) преобразователь-отражатель (т.е. расстояние делённое на длину ближней зоны r6=N). Параметром семейства кривых является отношение диаметра диска к диаметру излучателя. Заштрихованные области в левой части диаграммы соответствуют изменению амплитуд, вызываемому различной длительностью ультразвуковых импульсов.

Пример использования АРД-диаграммы. Определим с помощью АРД-диаграммы амплитуду сигнала от плоского дефекта диаметром 6 мм, расположенного в стальном образце на глубине 100 мм перпендикулярно оси нормального искателя диаметром 12 мм, на частоту 2,5 МГц.

Длина волны λ=С_l/f=5,9∙10⁶/2,5∙10⁶=2,35 мм. Длина ближней зоны r_б=а²/λ=6²/2,35=15,3 мм. Приведённое расстояние r/r_б=100/15,3=6,5. приведённый диаметр дефекта 2b/2a=6/12=0,5. на пересечении вертикали r/r_б=6,5 и кривой 2b/2a=0,5 находим P´/P₀=25,5 отр. дб.=0,053.

Глава 2. Методы акустического контроля

Рис. 3.11. АРД-диаграмма с линейным масштабом по оси абсцисс

Т еневой метод. При теневом методе контроля о наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды УЗ-колебаний, прошедших от излучателя к приемнику (рис. 3.12). Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Излучатель и приемник ультразвука располагают при этом соосно на противоположных поверхностях изделия. Теневой метод можно применять только при двустороннем доступе к изделию. При ручном контроле этим методом можно контролировать сварные швы ограниченного сечения небольшой толщины. Недостатками метода являются сложность ориентации преобразователя относительно центральных лучей диаграммы направленности, невозможность точной оценки координат дефектов и более низкая чувствительность (в 10—20 раз) по сравнению с эхо-методом. К преимуществам следует отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие мертвой зоны. Благодаря первому преимуществу этим методом уверенно обнаруживаются наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо-методе.

З еркально-теневой метод (рис. 3.13). При зеркально-теневом методе признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности (ее обычно называют донной поверхностью) изделия. Дополнительным преимуществом этого метода по сравнению с теневым являются односторонний доступ и более уверенное обнаружение дефектов, расположенных в корне шва. Оба эти метода нашли широкое применение при контроле сварных стыков арматуры.

Эхо-зеркальный метод (рис. 3.14) – наиболее достоверен при обнаружении плоскостных вертикально ориентированных дефектов. Он реализуется при прозвучивании шва двумя преобразователями, которые перемещаются по поверхности околошовной зоны с одной стороны шва таким образом, чтобы фиксировать одним преобразователем сигнал, излученный другим преобразователем, и дважды отразившийся от дефекта и противоположной поверхности изделия. Этим методом контролируют изделия с эквидистантными по­верхностями, а если их толщина менее 40 мм, то необходимы специальные преобразователи.

О дно из основных преимуществ метода — возможность оценки формы дефектов размером 3 мм и более, которые отклонены в вертикальной плоскости не более чем на Ө≤10°. При оценке формы дефектов необходимым условием является использование преобразователей одинаковой чувствительности. Метод нашел широкое применение при контроле толстостенных изделий, когда требуется высокая надежность обнаружения вертикально-ориентированных плоскостных дефектов, а также при арбитражных оценках.

Дельта-метод. Здесь (рис. 3.15) используется ультразвуковая энергия, переизлученная дефектом. Падающая на дефект поперечная волна частично отражается зеркально, частично трансформируется в продольную, а частично переизлучает дифрагированную волну. Трансформированная продольная волна распространяется нормально к нижней поверхности, отражается от нее и улавливается прямым преобразователем. Этим же преобразователем будет улавливаться компонента продольной дифрагированной волны, срывающейся с верхнего кончика трещины и распространяющейся вертикально вверх. К недостаткам метода следует отнести необходимость зачистки шва, сложность расшифровки принятых сигналов при контроле соединений толщиной 15 мм и менее, трудности при настройке чувствительности и оценке величины дефектов.

Наиболее достоверные результаты получают, если применяют СОП с реальными дефектами. Применение СОП с искусственными дефектами, имитирующими трещины, может привести к ложным результатам. Это связано с тем, что искусственные дефекты имеют с торца сравнительно большую отражающую поверхность, поэтому процессы рассеяния УЗ-колебаний от искусственных дефектов могут резко отличаться от реальной картины рассеяния.

При любом из перечисленных методов контроля можно, а иногда и необходимо применять два преобразователя, один из которых выполняет функции излучателя, другой – приемника. Такая схема включения называется раздельной (рис. 3,12, 3.13, 3.15). Когда используется один преобразователь, то в этом случае он выполняет функции излучения зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов и такая схема называется совмещенной (рис. 3.10). Когда преобразователи включены параллельно и одновременно являются и излучателями и приемниками эхо-сигналов то в этом случае схема называется раздельно-совмещенной (рис. 3.14).

Области применения методов. Из рассмотренных акусти­ческих методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо-методом.

Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико- механические свойства материалов.

Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно- совмещенного преобразователя. Дефекты (например, верти­кальные трещины), ориентированные перпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь (поверхности ввода), дают очень слабый рассеянный сигнал и плохо выявляются эхо-методом. В то же время они ослабляют донный сигнал благодаря тому, что на их поверхности продольная волна трансформируется в головную, которая в свою очередь излучает боковые волны, уносящие энергию. Пример применения зеркально-теневого метода — контроль рельсов на вдпикальные трещины в шейке. По чувстаительносш этот метод обычно в 10-100 раз хуже эхо-метода.

Эхо-зеркальный метод также применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувстви­тельность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности (рис. 3.13). В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем, расположенным в точке А . Однако, в этом случае зеркально-отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попадает лишь слабый рассеянный сигаал. Преобразователи, расположенные в точках С или Д обнаруживают дефект с высокой чувствительностью.

Эхо-зеркальный метод в варианте «тандем» используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, например, непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо-зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигаал и хорошо регасгрируются совмещенным преобразователем в точке в то же время зеркальное отражение от них слабое. В результате сравнения отраженных сигаалов в точках А и В определяют форму дефекта сварного соединения.

Вариант «косой тандем» применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскости затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные стороны валика усиления шва. Углы δ₁, и δ₂ выбирают либо малыми (не более 10°), либо большими (св. 35°) для предотвращения трансформации поперечных волн в продольные. При угле меньше 10° трансформация мала. Угол 35° и больше превосходит третье критическое значение и трансформация отсутствует. Существуют варианты с δ₁≠δ₂. Например, излучают поперечную волну с δ₁=20°, а принимают трансформированную продольную волну.

Дельта и дифракционно-временной методы также исполь­зуют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений. В варианте, показанном на рис. 3.14, излучают поперечные, а принимают продольные волны. Эффективная трансформация волн на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефект меньше третьего критического, либо если продольная волна возникает в результате рассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

Эхо-теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо-сигналы от них очень слабы.