производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 3 Контроль качества без разрушения сварных соединений 3.3 Ультразвуковая дефектоскопия 3.3.1. Физические основы ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвуковые колебания — это механические колебания упругой среды с частотой, находящейся за порогом слышимости человеческого уха, т.е. превышающей 20 кГц. Для ультразвукового контроля применяют колебания частотой 0,5 … 25 МГц.

В качестве излучателей и приемников ультразвука, называемых пьезопреобразователями, используются пластины из пьезоэлектрического материала — керамики или кварца. При подаче на пьезопластину электрического напряжения вследствие возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта изменяется ее толщина. Если к пьезопластине приложено знакопеременное напряжение, то она колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пьезопластина действует как излучатель (рис. 3.20, а). И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженную ультразвуковую волну), то на ее обкладках вследствие возникновения прямого пьезоэлектрического эффекта появляется электрический заряд, который можно измерить. В этом случае пьезопластина действует как приемник (рис. 3.20, б). Для подвода и снятия напряжения на противоположные поверхности пьезопластины нанесены серебряные электроды.

Рис. 3.20. Схемы, поясняющие принцип действия пьезопластины в качестве излучателя (а) и приемника (б) ультразвука (стрелками показаны направления действия возникающей при этом силы)

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения с, длиной λ и частотой f. Под длиной волны понимают расстояние между ближайшими частицами среды, которые колеблются одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний соотношением λ = c/f.

В зависимости от направления колебаний частиц среды различают несколько типов волн. Когда частицы колеблются вдоль направления распространения волн, волны (рис. 3.21, а) называются продольными (волнами сжатия), а когда перпендикулярно направлению распространения волн (рис. 3.21, б) — поперечными (волнами сдвига).

Рис. 3.21. Схематическое изображение продольной (а), поперечной (б) и поверхностной (в) волн (стрелками показаны направления распространения волн)

Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. Следовательно, в жидкой и газообразной средах образуются только продольные волны, а в твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны. Скорость распространения поперечной волны в металлах составляет примерно 0,55 от скорости продольной волны.

Вдоль свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны — волны Релея (рис. 3.21, в), которые являются комбинацией поперечных и продольных волн. Плоскость поляризации поверхностных волн, т.е. плоскость, в которой колеблются частицы среды, перпендикулярна поверхности. Глубина распространения поверхностных волн в твердом теле примерно равна их длине, а скорость распространения составляет 0,9 от скорости поперечных волн (табл. 3.6).

В плакирующих слоях биметаллов, толщина которых соизмерима с длиной волны, распространяются нормальные волны (волны Лэмба), которые заполняют всю толщину пластины. В плакирующих слоях биметаллических листов могут распространяться поверхностные волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява).

Рассмотрим процесс прохождения в среде короткого (зондирующего) импульса ультразвуковых колебаний. Пьезоэлемент в виде круглого диска служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. При излучении пьезоэлементом импульса ультразвуковых колебаний в среде возникает ультразвуковое поле, которое имеет пространственные границы и определенное распределение звукового давления внутри пучка.

Вблизи от излучателя, в области, называемой ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет цилиндрическую форму. В дальней зоне начинается постепенное расхождение ультразвуковой волны, и пучок приобретает форму усеченного конуса. Распределение энергии в поперечном сечении этого конуса неравномерное: максимальная интенсивность излучения соответствует оси пучка, а минимальная — периферии конуса. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне, представленное в виде графика в полярных координатах, называется диаграммой направленности ультразвукового поля.

При распространении ультразвуковых волн от источника интенсивность излучения падает. Это обусловлено не только расхождением пучка в объеме конуса, но и затуханием колебаний. По оси пучка ультразвуковые колебания затухают по экспоненциальному закону:

А = А0е-δr,

где А — амплитуда колебаний на расстоянии r от излучателя; А0 — амплитуда зондирующего импульса; δ — коэффициент затухания.

В металлах коэффициент затухания зависит в основном от соотношения между средним размером D зерен и длиной волны λ ультразвука. Если λ > 10D, то затухание малое и можно контролировать сварные соединения деталей толщиной до 10 мм. Если зерна металла соизмеримы с длиной волны или их размеры превосходят λ, то ультразвуковой контроль осуществлять весьма затруднительно или даже невозможно из-за значительного затухания ультразвука. Это относится к сварным соединениям литых деталей, швам, выполненным электрошлаковой сваркой без термообработки, и швам аустенитных (коррозионностойких) сталей.

Важной характеристикой среды, в которой распространяются ультразвуковые колебания, является ее акустическое сопротивление

z = pc,

где p — плотность среды.

При прохождении ультразвука из одной среды в другую происходит отражение части энергии волны от границы раздела сред. Коэффициенты отражения R и прохождения Т ультразвука зависят от соотношения акустических сопротивлений двух сред. Чем существеннее отличаются друг от друга акустические сопротивления z1 и z2, тем больше R, поэтому, чтобы увеличить коэффициент прохождения ультразвука, на поверхность контролируемого сварного соединения наносят контактную жидкость (воду, масло, глицерин и др.), акустическое сопротивление которой значительно больше, чем у металла соединения и у материала призмы пьезопреобразователя. При наличии воздушного зазора между преобразователем и поверхностью соединения ультразвук практически не проходит в металл.

Если размеры дефекта меньше поперечных размеров пучка и соизмеримы с длиной волны, то возникает дифракция (явление огибания волной препятствия) и доля энергии, отраженной дефектом, уменьшается. Наличие дифракции ультразвуковых волн обусловливает плохое выявление округлых дефектов небольших размеров (пор).

Углы падения θ ультразвука, при которых исчезают те или иные типы волн в процессе его преломления и отражения, называются критическими. По мере увеличения угла θ, начиная с некоторого значения θ кр1, называемого первым критическим углом, исчезает преломленная продольная волна. При дальнейшем увеличении угла θ наступает момент, когда исчезает и поперечная волна, что соответствует второму критическому углу θ кр2. При углах падения, меньших, чем второй критический угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна.

Для системы оргстекло—сталь первые и вторые расчетные критические углы соответственно составляют 27 и 56°. Отмеченное свойство имеет важное практическое значение. В частности, если разместить излучатель на призме из оргстекла и выбрать угол θ в пределах 30 … 55°, то в сварном соединении из стали будет распространяться только поперечная волна, что существенно упростит дешифровку результатов контроля.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на свойстве ультразвуковых волн направленно распространяться в средах и отражаться от их границ или нарушений сплошности (дефектов), обладающих другим акустическим сопротивлением. В практике контроля качества сварных соединений используют в основном эхо-импульсный метод (или метод эхо-локации), который заключается в «прозвучивании» сварного соединения короткими импульсами 1 ультразвука и регистрации эхо-сигналов 2 (рис. 3.22, а, б) и 3 (см. рис. 3.22, б), отраженных соответственно от нижней поверхности детали и дефекта к приемнику. Признаком наличия дефекта в сварном соединении служит появление эхо-сигнала 3 на экране дефектоскопа.

В некоторых случаях ультразвуковой контроль целесообразно осуществлять теневым методом (рис. 3.22, в). При его использовании признаком наличия дефекта служит уменьшение амплитуды сигнала 4 (рис. 3.22, г), прошедшего от излучателя к приемнику. Теневой метод позволяет применять не только импульсное, но и непрерывное излучение.

Рис. 3.22. Схемы прохождения коротких ультразвуковых импульсов при эхо-импульсном
(а, б) и теневом (в, г) методах контроля сварных соединений: а, в — при отсутствии дефекта; б, г — при наличии дефекта;
1 — короткий импульс ультразвука; 2, 3 — эхо-сигналы; 4 — сигнал с уменьшенной амплитудой;
Г — генератор зондирующих импульсов; П — приемник

К основным достоинствам ультразвуковой дефектоскопии относятся высокая чувствительность метода, мобильность аппаратуры, оперативность в получении результатов, низкая стоимость контроля и отсутствие радиационной опасности. Этот метод широко распространен в промышленности для выявления таких дефектов, как трещины, непровары, шлаковые и другие включения в сварных швах толщиной 1 … 2 800 мм. Например, в химическом, энергетическом машиностроении, судостроении и в других отраслях промышленности ультразвуковая дефектоскопия является основным методом неразрушающего контроля ответственных швов как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации сварных конструкций.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.