Ультразвуковая дефектоскопия

Практически невозможно производить  достоверный ультразвуковой контроль металлов с крупнозернистой структурой, таких как чугун или аустенитный сварной шов (толщиной свыше 60 мм) из-за большого рассеяния и сильного затухания ультразвука. Кроме того, затруднителен контроль малых деталей или деталей со сложной формой.

 

Свойства ультразвуковых волн

 

Метод ультразвуковой дефектоскопии  металлов и других материалов впервые  был разработан и практически  осуществлен в Советском Союзе  в 1928—1930 гг. проф. С. Я. Соколовым.

Ультразвуковые волны представляют собой упругие колебания материальной среды, частота которых лежит  за пределами слышимости в диапазоне  от 20 кгц (волны низкой частоты) до 500 Мгц (волны высокой частоты).

Ультразвуковые колебания бывают продольные и поперечные. Если частицы  среды перемещаются параллельно  направлению распространения волны, то такая волна является продольной, если перпендикулярно-поперечной. Для  отыскания дефектов в сварных швах используют в основном поперечные волны, направленные под углом к поверхности свариваемых деталей.

Ультразвуковые волны способны проникать в материальные среды  на большую глубину, преломляясь  и отражаясь при попадании  на границу двух материалов с различной  звуковой проницаемостью. Именно эта  способность ультразвуковых волн используется в ультразвуковой дефектоскопии  сварных соединений.

Ультразвуковые колебания могут  распространяться в самых различных  средах — воздухе, газах, дереве, металле, жидкостях.

Скорость распространения ультразвуковых волн C определяют по формуле:

 

C = fλ

где f — частота колебаний, гц;

       λ — длина волны, см.

 

Для выявления мелких дефектов в  сварных швах следует пользоваться коротковолновыми ультразвуковыми  колебаниями, так как волна, длина  которой больше размера дефекта, может не выявить его.

Получение ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны получают механическим, термическим, магнитострикционным (Магнитострикция — изменение  размеров тела при намагничивании) и пьезоэлектрическим (Приставка  «пьезо» означает «давить») способами.

Наиболее распространенным является последний способ, основанный на пьезоэлектрическом эффекте некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, титаната бария): если противоположные грани пластинки, вырезанной из кристалла, заряжать разноименным электричеством с частотой выше 20 000 гц, то в такт изменениям знаков зарядов пластинка будет вибрировать, передавая механические колебания в окружающую среду в виде ультразвуковой волны. Таким образом электрические колебания преобразовываются в механические.

В различных системах ультразвуковых дефектоскопов применяют генераторы высокой частоты, задающие на пьезоэлектрические пластинки электрические колебания  от сотен тысяч до нескольких миллионов  герц.

Пьезоэлектрические пластинки  могут служить не только излучателями, но и приемниками ультразвука. В  этом случае под действием ультразвуковых волн на гранях кристаллов-приемников возникают электрические заряды малой величины, которые регистрируются специальными усилительными устройствами.

 

Методы выявления дефектов ультразвуком

Существуют в основном два метода ультразвуковой дефектоскопии: теневой  и эхо-импульсный (метод отраженных колебаний.)

 

 

Рис. 1. Схемы проведения ультразвуковой дефектоскопии

а — теневым; б — эхо импульсным методом; 1 — щуп-излучатель;  2 — исследуемая деталь; 3 — щуп приемник; 4 — дефект

 

При теневом методе (рис. 1, а) ультразвуковые волны, идущие через сварной шов от источника ультразвуковых колебаний (щупа-излучателя), при встрече с дефектом не проникают через него, так как граница дефекта является границей двух разнородных сред (металл — шлак или металл — газ). За дефектом образуется область так называемой «звуковой тени». Интенсивность ультразвуковых колебаний, принятых щупом-приемником, резко падает, а изменение величины импульсов на экране электронно-лучевой трубки дефектоскопа указывает на наличие дефектов. Этот метод имеет ограниченное применение, так как необходим двусторонний доступ к шву, а в ряде случаев требуется снимать усиление шва.

При эхо-импульсном методе (рис. 1, б) щуп-излучатель посылает через сварной шов импульсы ультразвуковых волн, которые при встрече с дефектом отражаются от него и улавливаются щупом-приемником. Эти импульсы фиксируются на экране электроннолучевой трубки дефектоскопа в виде пиков, свидетельствующих о наличии дефекта. Измеряя время от момента посылки импульса до приема обратного сигнала, можно определить и глубину залегания дефектов. Основное достоинство этого метода состоит в том, что контроль можно проводить при одностороннем доступе к сварному шву без снятия усиления или предварительной обработки шва. Этот метод получил наибольшее применение при ультразвуковой дефектоскопии сварных швов.

Импульсные ультразвуковые дефектоскопы

 

Контроль сварных соединений осуществляется при помощи ультразвуковых дефектоскопов, которыми можно выявлять трещины» непровары, газовые и шлаковые включения в стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных соединениях, выполненных дуговой, электрошлаковой, газовой и контактной сваркой. Контролировать можно как сварку сталей, так и сварку цветных металлов и их сплавов.

Электрическая схема дефектоскопов, состоящая из отдельных электронных  блоков, смонтирована в металлическом  кожухе, на передней панели которого находится  экран электроннолучевой трубки и расположены рукоятки управления. Дефектоскопы укомплектованы призматическими щупами-искателями (рис. 2) с углами ввода ультразвукового луча 30, 40 и 50° (0,53; 0,7 и 0,88 рад). Придаются также и прямые щупы, при помощи которых ультразвуковые колебания вводятся перпендикулярно поверхности контролируемого изделия. Комплект щупов позволяет выбирать для каждого конкретного случая необходимую схему прозвучивания. Во всех щупах в качестве пьезоэлектрического преобразователя используются пластинки титаната бария.

 

 

Рис. 2. Конструктивная схема призматического щупа

1 — кольцо изоляционное; 2 —  асбестовая прокладка; 3 — накладка  контактная;   4 — втулка изоляционная; 5 — втулка; 6 — пластинка из титаната бария; 7 — корпус;8 — призма из плексигласа

В зависимости от количества щупов  и схемы их включения ультразвуковые дефектоскопы могут быть двухщуповыми, в которых один щуп является излучателем, а другой приемником, или однощуповыми, где функция ввода и приема ультразвуковых колебаний выполняются одним щупом. Это возможно потому, что прием отраженного сигнала происходит во время пауз между импульсами, когда никаких других сигналов, кроме отраженных, на пьезоэлектрическую пластинку не поступает.

 

В качестве индикаторов дефектов применяются  электроннолучевые трубки. Ряд дефектоскопов  оснащен также световым (электрической  лампочкой на искательной головке  щупа) и звуковым (динамиком и  телефонными наушниками) индикаторами.   

Типовая блок-схема импульсного  ультразвукового дефектоскопа, работающего  по однощуповой схеме, приведена на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа УЗД-7Н

1 — задающий генератор; 2 — генератор  импульсов; 3 — пьезоэлектрический  щуп; 4 — генератор развертки; 5 —  приемный усилитель; 6 — электроннолучевая  трубка; 7 — контролируемое изделие

Задающий генератор, питаемый переменным током, вырабатывает электрические  колебания, передаваемые на генератор  импульсов и пьезоэлектрический щуп. В последнем высокочастотные  электрические колебания преобразуются  в механические колебания ультразвуковой частоты и посылаются в контролируемое изделие. В интервалах между отдельными посылами высокочастотных импульсов  пьезоэлектрический щуп при помощи электронного коммутатора подключается к приемному усилителю, который  усиливает полученные от щупа отраженные колебания и направляет их на экран  электроннолучевой трубки. Таким  образом, пьезоэлектрический щуп попеременно  работает как излучатель и приемник ультразвуковых волн.

Генератор развертки обеспечивает развертку электронного луча трубки, который прочерчивает на экране электроннолучевой  трубки светящуюся линию с пиком  начального импульса.

При отсутствии дефекта в контролируемом изделии импульс дойдет до нижней поверхности изделия, отразится  от нее и возвратится в пьезоэлектрический щуп. В нем механические колебания  ультразвуковой частоты снова преобразуются  в высокочастотные электрические  колебания, усиливаются в приемном усилителе и подаются на отклоняющие  пластины электроннолучевой трубки. При этом на экране возникает второй пик донного импульса (как бы отраженного  от дна изделия).

Если на пути прохождения ультразвука  встретится дефект, то часть волн отразится  от него раньше, чем донный сигнал достигнет  пьезоэлектрического щупа. Эта часть  волн усиливается приемным усилителем, подается на электроннолучевую трубку и на ее экране между начальным и донным импульсами возникнет пик импульса от дефекта.

Благодаря синхронной работе генератора развертки луча, генератора импульсов  и других устройств дефектоскопа взаимное расположение импульсов на экране электроннолучевой трубки характеризует  глубину расположения дефекта. Расположив на экране трубки масштабные метки  времени, можно сравнительно точно  определить глубину залегания дефекта.

 

Методика ультразвукового контроля

Перед началом ультразвукового  контроля зачищают поверхность сварного соединения на расстоянии 50—80 мм с  каждой стороны шва, удаляя брызги металла, остатки шлака и окалину. Зачистку выполняют ручной шлифовальной машинкой, а при необходимости еще и  напильником или наждачной шкуркой.

Чтобы обеспечить акустический контакт  между щупом-искателем и изделием, зачищенную поверхность металла  непосредственно перед контролем  тщательно протирают и наносят  на нее слой контактной смазки. В  качестве смазки применяют автол  марок 6, 10, 18, компрессорное, трансформаторное или машинное масло.

Затем проверяют правильность показаний  дефектоскопа на эталонах сварных швов с заранее определенными дефектами.

Контроль стыковых соединений проводят путем поочередной установки  щупа по обеим сторонам проверяемого шва.

 

 

Рис. 4. Схема проведения ультразвукового контроля

а — перемещение призматического  щупа по поверхности изделия; б —  контроль прямым лучом; в — контроль отраженным лучом

В процессе контроля щуп-искатель плавно перемещают вдоль обеих сторон шва  по зигзагообразной линии (рис. 4, а), систематически поворачивая его на 5—10° в обе стороны для выявления различно расположенных дефектов.

Прозвучивание производят как прямым (рис. 4, б), так и отраженным (рис. 4, в) лучом. Стыковые соединения при толщине металла более 20 мм обычно проверяют прямым лучом. При толщине металла менее 20 мм усиление шва не дает возможности установить щуп так, чтобы ультразвуковой луч проходил через корень шва. В этих случаях контроль осуществляют однократно или двукратно отраженными лучами. При толщине металла менее 8 мм его прозвучивают многократно отраженным лучом.