Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться, позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.
Ультразвуковая дефектоскопия — метод, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале ОК (объекта контроля) путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа времени их прихода, амплитуды, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвуковых дефектоскопов. Сейчас УЗ дефектоскопия, наряду с радиографическим контролем, является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.
Первые попытки осуществить неразрушающий контроль ультразвуковой волной предпринимались с 1930 года. А уже спустя 20 лет ультразвуковой контроль качества сварных соединений приобрел наибольшую популярность по сравнению с другими методами контроля качества сварки. Кроме того, для некоторых изделий он стал обязательным.
Наиболее распространенным способом возбуждения ультразвуковых волн в контролируемом объекте и приема волн, прошедших через объект, является использование пьезоэлектрических преобразователей. Для возбуждения волн используется обратный пьезоэлектрический эффект, а для их приема – прямой пьезоэлектрический эффект. Для возбуждения и приема волн могут использоваться два раздельных преобразователя, либо может использоваться совмещенный преобразователь, выполняющий функции излучателя и приемника. Между объектом и преобразователем обычно необходимо создание прослойки контактной жидкости, так как при наличии между ними слоя воздуха эффективность излучения и приема волн будет резко снижаться из-за существенного различия акустического сопротивления воздуха и контролируемого материала (материала преобразователя).
Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов
Сварные швы являются самой массовой областью применения ультразвуковой дефектоскопии. Это достигается за счёт мобильности ультразвуковой установки, высокой производительности контроля, высокой точности, высокой чувствительности к любым внутренним (объёмным — поры, металлические и неметаллические включения; плоскостным — непровары, трещины), а также внешним, то есть поверхностным дефектам сварных швов (подрезы, обнижения валика усиления и т. п.).Ультразвуковой контроль сварных соединений и материалов основывается на возможности ультразвука распространяться в контролируемом изделии, отражаясь от границ материалов и внутренних дефектов. Звуковые волны в однородном материале при ультразвуковом контроле не изменяют траектории движения. Дефекты в металле, возникающие при сварке и литье, как правило, представляют собой газовые включения. Так как газ имеет акустическое сопротивление на 5 порядков меньше, чем металл, то ультразвуковая волна практически полностью отражается от дефекта (при условии, что размер дефекта больше половины длины волны). При размерах дефекта меньше половины длины волны ультразвуковая волна огибает дефект, то есть наблюдается дифракция. Разрешающая способность ультразвуковой дефектоскопии, то есть минимальный размер дефекта, который может быть выявлен с помощью этого метода, определяется длиной волны. Для повышения разрешающей способности стараются увеличить частоту используемых при контроле колебаний. Недостатком является то, что с увеличением частоты снижается проникающая способность ультразвука. В связи с этим выбор частоты колебаний требует нахождения определенного компромисса между разрешающей способностью и проникающей способностью.
При ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений используется, в основном, эхо-импульсный метод контроля. Реже применяется теневой метод и другие.
Методы ультразвуковой дефектоскопии
Существует несколько методов ультразвукового контроля: эхо-импульсный, эхо-зеркальный, эхо-сквозной, дельта-метод (разновидность эхо-зеркального), когерентный метод (разновидность эхо-импульсного), теневой, зеркально теневой. Рассмотрим кратко наиболее распространенные из них.1. Эхо-импульсный метод. Он заключается в направлении акустической волны на сварное соединение и регистрации отражённой волны от дефекта. При таком методе источником и приёмником волн выступает один преобразователь (схема а) на рисунке.
2. Теневой метод. Такой метод ультразвуковой дефектоскопии заключается в использовании двух преобразователей, установленных на разные стороны сварного соединения. При таком методе один из преобразователей генерирует акустические волны (излучатель), а второй их регистрирует (приёмник). При этом приёмник должен быть расположен строго по направлению движения волны, переданной излучателем. При таком методе признаком дефекта является пропадание ультразвуковых колебаний. В потоке ультразвука получается глухая область , это означает, что волна на этом участке не преодолела сварной дефект (схема б) на рисунке.
3. Эхо-зеркальный метод. Он также заключается в использовании двух преобразователей, но располагаются они с одной стороны сварного соединения. Сгенерированные приёмником ультразвуковые колебания отражаются от дефекта и регистрируются приёмником. На практике такой метод получил широкое распространение для поиска дефектов, расположенных перпендикулярно поверхности сварного соединения, например, сварных трещин (схема в) на рисунке.
4. Зеркально-теневой метод. По своей сути представляет собой теневой метод, но преобразователи располагаются не на противоположных поверхностях сварного соединения, а на одной. При этом регистрируются не прямой поток ультразвуковых волн, а поток, отражённый от второй поверхности сварного соединения. Признаком дефекта является пропадание отражённых колебаний (схема г) на рисунке.
Принцип ультразвукового контроля
Ультразвуковой контроль сварных соединений относится к неразрушающим методам контроля варки и является одним из наиболее применяемых методов. Акустические ультразвуковые волны способны распространяться внутри твёрдого тела на значительную глубину. Волны отражаются от границ или от нарушений сплошности, т.к. они обладают другими акустическими свойствами.Направляя ультразвуковые волны на сварное соединение с помощью специальных приборов - ультразвуковых дефектоскопов и улавливая отражённые сигналы, на экране дефектоскопа отображаются импульсы излученной и отражённой волн. По расположению этих импульсов и по их интенсивности, можно судить о расположении дефектов, их величине и определить характер сварного дефекта.
При контроле сварных швов необходимо тщательно выполнить прозвучивание всего металла сварного шва. Существуют способы прозвучивания прямой и отражённой волной. Прямой волной прозвучивают нижнюю часть шва, а отражённой волной - верхнюю.
Параметры оценки дефектов при ультразвуковом контроле
Чувствительность ультразвукового контроля определяется наименьшим размером дефекта (или эталонного отражателя), который возможно выявить. Роль эталонных отражателей часто играют плоскодонные отверстия, расположенные перпендикулярно направлению прозвучивания, а также боковые отверстия или зарубки.Разрешающая способность эхо-метода определяется минимальным расстоянием между двумя дефектами, при котором их можно определить, как раздельные дефекты, а не как один.
При ультразвуковом контроле выявленный дефект оценивают, исходя из следующих параметров: амплитуды ультразвуковой волны, условной протяжённости, высоты и ширины дефекта, и его формы.
Условную длину сварного дефекта определяют длиной перемещения излучателя вдоль соединения, на протяжении которой фиксируется эхо-сигнал, исходящий от дефекта. Таким же образом, при перемещении излучателя по нормали к сварному соединению, можно определить условную ширину дефекта.
Условную высоту оценивают, исходя из разности интервалов времени между излучённой и отражённой от дефекта волной при крайних положениях излучателя.
Определить истинную величину сварного дефекта при ультразвуковом контроле очень часто оказывается затруднительно. Поэтому, чаще всего стремятся вычислить его эквивалентные величины (площадь или диаметр). Эквивалентной площадью сварного дефекта принято считать, к примеру, площадь плоскодонного отверстия в образце, амплитуда отражённой волны от которого равна амплитуде отражённой волны в проверяемом шве. Почти во всех случаях вычисленная эквивалентная площадь дефекта меньше его настоящей площади.