122823 (Акустические методы контроля качества продукции), страница 2

Из формулы видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред Z₁ и Z₂.

Коэффициент прохождения волны D=1—R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием Δг= 10^-4—10^-5 мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служит несплошности раскрытием Δг> 10^-5λ.

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непро-вары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10^-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R=0,35—0,65 в зависимости от марки флюса.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S≥1 мм². При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания δ в приведенных выше формулах возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния δ=δ_п+δ_р.

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука: δ_п>δ_р. Причем δ_п пропорционально либо f (стекло), либо f² (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением δ_р>>δ_п, причем δ_п пропорционально f, а δ_р пропорционально f³ или f⁴. Коэффициент от соотношения средней величины зерен D и длины λ УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом δ_Р=D₃f₄.

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь λ>(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнемy пределу (λ≥100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8— 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебании, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностен, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзерениая анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области λ=(4 - 10)D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Затухание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е = 2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8,68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см^-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК.

Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом β к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 5, а). Возникают две преломленные волны (продольная C_l' и поперечная C_t') и две отраженные C_l и C_l. Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

sinβ/C_l= sinα_l/C_l'= sinα_t/C_t'.

При увеличении угла падения β, который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл α_l и α_t также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 5, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча C_l', а потом — луча C_t'. Углы β соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению β_кр1 отвечает угол α_l = 90°, а значению β_кр2 угол α_t=90°.

Р исунок 5. Отражение и преломление продольной волны на границе разделов двух твердых сред

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователи выбирают обычно в интервале между двумя критическими значениями:

(β_кр1+3°)<β<(β_кр2-3°).

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт.

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задачи методики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

2. МЕТОДЫ УЛЬТРОЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

2.1 Классификация методов контроля

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис. 1. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону от контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Исторически методы прохождения применяли только для обнаружения несплошностей, меняющих параметры сквозного сигнала вследствие образования за дефектом акустической тени. Поэтому их называли «теневыми». Однако затем эти методы начали использовать для контроля прочности, пористости, структуры и других параметров материала, не связанных с наличием тени. Поэтому теневой метод - частный случай метода прохождения.

Рисунок 6. Классификация акустических методов контроля

2.2 Импульсный эхо-метод.

Эхо-метод (рис. 7) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис. 7) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника. Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Рисунок 7. Импульсный эхо-метод. 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 -синхронизатор; 7 - индикатор

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 известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм² на глубине 100 мм. К преимуществам данного метода следует также отнести возможность одностороннего доступа к зоне шва, поскольку достаточно только одного преобразователя и дли излучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-мегода — это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (yглa θ между УЗ-лучом и плоскостью отражателя).

2.3 Теневой и зеркально-теневой методы УЗК.

Теневой и зеркально-теневой методы, также широко распространенные, основаны на уменьшении амплитуды УЗ-колебаний вследствие наличия несплошности на их пути (рис. 8). Чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал. В теневом методе (рис. 8, а) УЗ-луч идет прямо от генератора к приемнику через контролируемый металл. Теневой метод используют только при двустороннем доступе к изделию для автоматического контроля изделий простой формы, например листов в иммерсионной ванне. Перемещение листа вверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне не изменяет времени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенно упрощает конструкцию установки. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10 ... 100 раз меньше, чем эхо-метода, в связи с большим влиянием помех.

Теневой метод применяют также для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от не-однородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов. Теневой метод позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, сером чугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче.

Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность оценки координат дефектов.

Рисунок 8. Теневой и зеркально-теневой методы УЗК

Зеркально-теневой метод отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение УЗК, отраженных от нижней поверхности листа (рис. 8, б).

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 к 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 вертикальные трещины в шейке. По чувствительности этот метод обычно в 10 ... 100 раз хуже эхо-метода.

Зеркально-теневой метод, как видно из схемы, не требует двустороннего доступа к соединению. Этот метод широко используют для контроля железнодорожных рельсов. Он позволяет также более достоверно определять наличие корневых дефектов в стыковых швах.

Оба теневых метода используют обычно для соединений с грубообработанной поверхностью. Например, их успешно применяют для контроля стыков арматуры периодического профиля.

2.4 Средства контроля многослойных конструкций.

Реверберационный, импедансный, велосиметрический, акустико-топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Реверберационным методом обнаруживают в основном нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями.

Импедансным методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях. Велосиметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют в основном изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Реверберационный метод (рис. 9) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемом объекте. Например, при контроле клееной конструкции с наружным металлическим слоем и внутренним полимерным слоем дефект соединения препятствует передаче энергии во внутренний слой, что увеличивает время затухания многократных эхо-сигналов во внешнем слое. Отражения импульсов в полимерном слое обычно отсутствуют вследствие большого затухания ультразвука в полимере.

Импедансный метод используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. В импедансных методах используют изгибные и продольные волны.

При использовании изгибных волн преобразователь стержневого типа (рис. 10) содержит соединенный с генератором 1 излучающий 2 и приемный 4 пьезоэлементы. Через сухой точечный контакт преобразователь возбуждает в изделии 3 гармонические изгибные колебания. В зоне дефекта соединения модуль механического импеданса уменьшается и меняется его аргумент φ. Эти изменения регистрируются электронной аппаратурой. В импульсном варианте этого метода в системе преобразователь - изделие возбуждают импульсы свободно-затухающих колебаний. Признаком дефекта служит уменьшение амплитуды и несущей частоты этих колебаний.

Кроме совмещенного преобразователя применяют раздельно-совмещенные преобразователи, имеющие в общем корпусе раздельные излучающий и приемный вибраторы. Эти преобразователи работают в импульсном режиме. При работе совмещенными преобразователями используют частоты до 8 кГц, раздельно-совмещенными - импульсы с несущими частотами 15 ... 35 кГц.

Рисунок 10. 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 -усилитель; 6 - блок обработки информации с индикатором

В другом варианте в контролируемой многослойной конструкции с помощью плоского пьезопреобразователя возбуждают продольные упругие волны фиксированной частоты. Дефекты регистрируют по изменению входного электрического импеданса Z пьезопреобразователя. Импеданс Z3 определяется входным акустическим импедансом контролируемой конструкции, зависящим от наличия и глубины залегания дефектов соединения между ее элементами. Изменения импеданса представляют в виде точки на комплексной плоскости, положение которой зависит от характера дефекта. В отличие от методов, использующих изгибные волны, преобразователь контактирует с изделием через слой контактной смазки.

Велосиметрический метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения дисперсионных мод упругих волн в зоне дефекта и применяемый при одностороннем и двустороннем доступе к контролируемому объекту (рис. 11). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 11, верх) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а₀) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 11, внизу) в бездефектной зоне энергия передается продольной волной L, в зоне дефекта - волнами а₀, которые проходят больший путь и распространяются с меньшими скоростями, чем продольная волна. Дефекты отмечаются по изменению фазы или увеличению времени прохождения (только в импульсном варианте) по контролируемому изделию.

Рисунок 11. Велосиметрический метод контроля; 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - измеритель амплитуды; 7 - измеритель времени пробега; 8 - измеритель фазы

В локальном методе (рис. 12) возбуждаемый генератором 1 вибратор 10 создает периодические удары по контролируемому изделию. Электрические сигналы с приемного микрофона 4 через усилитель 5 поступают на спектроанализатор Р. Выделенный последним спектр принятого сигнала обрабатывается решающим устройством 11, результат обработки появляется на индикаторе. Кроме микрофонов применяют пьезоприемники.

Рисунок 12. Локальный метод свободных частот; 1 - генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - индикатор резонанса; 7 - модулятор частоты; 8 - индикатор; 9- спектроанализатор; 10-ударный вибратор; 11-блок обработки информации

Дефекты регистрируют по изменению спектра принятого импульсного сигнала. В отличие от интегрального метода контроль выполняется путем сканирования изделий. Обычный диапазон рабочих частот от 0,3 до 20 кГц.

Акустико-топографический метод имеет признаки интегрального и локального методов. Он основан на возбуждении в изделии интенсивных изгибных колебаний непрерывно меняющейся частоты и регистрации распределения амплитуд колебаний с помощью наносимого на поверхность порошка. Упругие колебания возбуждают преобразователем, прижимаемым к сухому изделию. Преобразователь питают от мощного (порядка 0,4 кВт) генератора непрерывно меняющейся частоты.

Если собственная частота отделенной дефектом (расслоением, нарушением соединения) зоны попадает в диапазон возбуждаемых частот, колебания этой зоны усиливаются, покрывающий ее порошок смещается и концентрируется по границам дефектов, делая их видимыми. Диапазон используемых частот от 40 до 150 кГц.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Алешин Н. П., Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ, пособие.— Мн.: Выш. шк., 1987.— 271 с: ил.

2. Каневский И.Н., Сальникова Е.Н. Неразрушающие методы контроля: Учебное пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 243 с.

3. Справочник "Неразрушающий контроль и диагностика" В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др. Москва, издательство "Машиностроение", 2003 г.