Методи ультразвукової дефектоскопії (стр. 1 )

3. МЕТОДИ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ДЕФЕКТОСКОПІЇ

3.1. Резонансний та інші методи ультразвукової дефектоскопії

3.1.1. Особливості отримання інформації про дефект при ультразвуковому контролі

При падінні ультразвукові (УЗ) хвилі на дефекті виникає акустичне поле розсіяння, що містить цілий спектр хвиль різного типу, розсіяних по законах геометричної акустики і теорії дифракції. Це акустичне поле прийнято називати індикатрисою розсіяння дефекту.

Якщо реєструється тільки та частина енергії, яка відбилася назад до перетворювача, наприклад при контролі по суміщеній схемі, то вимірюється індикатриса зворотного розсіяння. Просторово структурна форма індикатриси розсіяння визначається як параметрами акустичного тракту, так і параметрами самого дефекту як відбивача. Реальні дефекти відрізняються великою різноманітністю, мають неповторювану конфігурацію, шорсткість поверхні і відрізняються по відбивній здатності навіть в межах одного морфологічного типу. Тому їх необхідно розглядати як відбивачі випадкові, які мають якісь характеристичні параметри індикатриси розсіяння, але само наявність цих параметрів і просторово енергетичні і фазові характеристики їх для даного дефекту можуть оцінюватися тільки з певною вірогідністю.

Це означає, що УЗ дефектоскопія є імовірнісною наукою і вирішує завдання виявлення і дефектометрії з певною вірогідністю. Індикатриса розсіяння відбивача правильної геометричної форми з гладкою поверхнею, так званого «детермінованого відбивача», сильно відрізняється від індикатриси розсіяння реальної несуцільності.

У індикатрисі розсіяння зашифрована вся інформація про дефект. Тому УЗ дефектометрия заснована на аналізі средньовзвішаних просторових співвідношень амплітудно-фазових характеристик хвиль різного типу в індикатрисі розсіяння реального дефекту, виділенні в ній стійких інформативних ознак (параметрів) і встановленні кореляційних зв'язків з розміром і морфологічним типом дефекту, з одного боку, і найбільш близькій акустичній моделі - з іншою.

Залежно від виду оброблюваної первинної інформації методи УЗ дефектометрії підрозділяються на дві основні групи: амплітудні і тимчасові.

У амплітудних способах оцінка величини дефекту проводиться по амплітуді відбитого від нього (у разі ехо-метода) або такого, що пройшов (тіньовий, дзеркально-тіньовий) через нього сигналу. Амплітудні способи не дозволяють в повному ступені врахувати конфігурацію дефекту і тому дають усереднену інформацію, що виражається через так звані умовні розміри.

Тимчасові способи дозволяють судити про дійсні розміри дефекту, визначивши тимчасову затримку, пов'язану з розсіянням хвиль на краях дефекту.

Основною перевагою цих способів в порівнянні з амплітудним є менша погрішність вимірювань, викликана нестабільною якістю УЗ коливань, неоптимальним ракурсом прозвучування, рівнем чутливості дефектоскопа і т. п.

Проте недоліком їх є необхідність застосування два ПЕП, розміщених в одній вертикальній площині по обидві сторони від дефекту, і наявністю спеціальної апаратури, що забезпечує вимірювання тимчасових інтервалів з погрішністю ±0,1нс.

На практиці повний аналіз індикатриси зворотного розсіяння або проведення якогось великого числа вимірювань її в окремих характерних крапках і напрямах вельми скрутно і нерентабельне. З іншого боку, об'єм вимірювань не повинен бути зведений до мінімуму із-за небезпеки втратити важливу інформацію про дефект. Нарешті, необхідно використовувати тільки такі інформативні ознаки про дефект, які піддаються відтворному вимірюванню в будь-яких умовах, будь-яким оператором і виражаються в простій числовій формі.

3.1.2. Визначення координат дефектів

Місцезнаходження дефекту в зварному шві визначають три координати: - глибина залягання дефекту, відлічувана по нормалі до поверхні; - відстань від центру випромінювання перетворювача до дефекту уздовж поверхні виробу (іноді відлік проводиться від передньої грані призми); - відстань уздовж осі шва від дефекту до якої-небудь вибраної точки відліку.

Глибиномірні пристрій дефектоскопа вимірює часовий інтервал між зондуючим імпульсом і луно-сигналом від дефекту . Оскільки швидкості ультразвукових коливань в металі і призмі і кути введення визначені, то по Т можна визначити і .

У разі прямого або РС-ПЕП без акустичної затримки .

(16)

де - відстань від точки виходу променя до дефекту; - відповідно час проходження (у одному напрямі), шлях і швидкість ультразвуку в призмі і виробі.

Глибиноміри сучасних дефектоскопів дозволяють легко вимірювати всі координати відбивача. Дефектоскопами старих типів можна визначати тільки або при прозвучуванні подовжніми хвилями. В цьому випадку для визначення і зручні координатні лінійки типу УКЛ-1, що дозволяють враховувати час проходження ультразвуку в призмі. При контролі конструкцій з титанових сплавів і деяких сталей необхідно враховувати характерну для них істотну анізотропію швидкості ультразвуку залежно від напряму прозвучування по відношенню до текстури прокату.

Координати дефектів у виробах з криволінійною поверхнею визначають за допомогою номограм.

При хордовому прозвучуванні похилим ПЕП циліндрових виробів положення проекції дефекту щодо точки виходу, вимірюване довжиною дуги , і глибині залягання визначають по формулах: .

У випадку, якщо контроль виконується похилим ПЕП перпендикулярно утворюючою по внутрішній поверхні циліндра, відповідні формули для визначення координат дефекту мають вигляд:

, (17)

де - товщина шва, - показання глибиноміра дефектоскопа.

При контролі відбитим променем глибину дефекту визначають з урахуванням числа віддзеркалень від кожної з поверхонь виробу по виразах: (при непарному ), (при парному ).

Значення X при будь-якій схемі прозвучування визначають безпосередньо за шкалою глибиноміра.

3.1.3. Амплітудні методи вимірювання величини дефектів. Вимірювання еквівалентної площі

Амплітуда ехо-сигналу в ультразвуковій дефектоскопії вимірюється відносним методом - порівнянням ехо-сигналу від дефекту з яким-небудь опорним сигналом, отриманим тим же ПЕП від відбивача відомої величини і геометричної форми. Відносний метод вимірювань вельми зручний на практиці, оскільки дозволяє повністю відмовитися від необхідності розрахунку коефіцієнта перетворення електричної енергії в механічну, визначуваного фізичними константами п’єзоелемента, впливом перехідних клейових шарів, величиною зондуючого імпульсу, умовами узгодження п’єзоелемента з підсилювачем і тому подібне.

Вельми важливо уніфікувати процес вимірювань. Розмір дефекту повинен виражатися через якусь стандартизовану величину, відтворну при будь-яких вимірюваннях. Тому в ультразвуковій дефектоскопії як уніфікована одиниця вимірювання прийнята еквівалентна площа (еквівалентний діаметр) дефекту, яка вимірюється площею дна плоскодонного отвору, розташованого на тій же глибині, що і дефект, і що дає відлуння-сигнал такої ж амплітуди.

При вимірюванні еквівалентного розміру дефекту по суміщеній схемі похилим перетворювачем вісь плоскодонного відбивача співвісна осі пучка; при вимірюванні РС-ПЕП вісь отвору нормальна поверхні, а при вимірюванні похилими перетворювачами луно-дзеркальним методом («тандем») вісь отвору паралельна поверхні. Якщо дефект прозвучується декількома ПЕП різних типів, то за еквівалентний розмір дефекту береться найбільше зміряне значення.

Застосовують два способи вимірювання еквівалентної площі дефектів: за допомогою зразків і по АВД-діаграмам.

Перший спосіб полягає в тому, що луно-сигнал від дефекту послідовно порівнюється з сигналами від плоскодонних отворів різної величини, виконаних на тій же глибині, що і дефект в тест-зразок, акустичні властивості і якість поверхні якого такі самі, як в контрольованому виробі. Переваги способу - простота і мінімум погрішностей вимірювання. Всі операції по вимірюванню еквівалентного розміру зводяться до того, що оператор повинен знайти отвір, від якого фіксується луно-сигнал, рівний луно-сигналу від дефекту. Недолік в необхідності виготовляти велике число зразків з широким набором плоскодонних відбивачів по діаметру і глибині.

Еквівалентний розмір дефектів по АВД-діаграмі вимірюють так:

1) вибирають АВД-діаграму, відповідну вибраному типу перетворювача;

2) встановлюють косокутну систему координат шляхом поєднання горизонтальної осі диска з відповідним діленням шкали загасання на планшеті;

3) вимірюють максимальну амплітуду луно-сигналу від дефекту і його глибину залягання ;

4) на вільній від дефектів ділянці контрольованого виробу або контрольного зразка вимірюють амплітуду опорного («донного») сигналу і глибину відбивача . Як опорний сигнал при контролі ПЕП і РС-ПЕП найчастіше використовується віддзеркалення від протилежної стінки виробу. При контролі похилими ПЕП з кутом =як опорний сигнал можна використовувати віддзеркалення від двогранного кута вільного краю або контрольного зразка. При цьому обов'язково, щоб двогранний кут був прямим, а чистота обробки поверхні грані була не гірша 40. В цьому випадку глибина відбивача . При > 450 на вертикальну грань двогранного кута промені падають під кутом, меншим 3-го критичного, і використовувати відбитий сигнал як опорного не можна;

5) по АВД-діаграмі визначають розрахункове значення донного сигналу на тій же глибині (точка В);

6) визначають приведене значення амплітуди луно-сигналу від дефекту (точка С) по формулі: ;

7) по тій, що проходить через точку з координатами ; (точка ) кривої визначають еквівалентний діаметр дефекту.

3.1.4. Оцінка величини дефектів за умовними розмірами

Разом з амплітудним широкого поширення набув спосіб оцінки величини дефектів шляхом визначення їх умовних розмірів на поверхні виробу. Він полягає в тому, що при скануванні уздовж дефекту на поверхні виробу вимірюється відстань між положеннями перетворювача, в яких при заданому рівні чутливості дефектоскопа луно-імпульс від дефекту зникає з екрану.

Вимірювання умовних розмірів шляхом визначення координат його крайніх точок може проводитися двома способами: відносним і абсолютним. При відносному способі крайніми вважають положення перетворювача, в яких для даного дефекту . Для дефектів розміром цей спосіб не дає уявлення про дійсні розміри, оскільки дефект при зсуві перетворювача фіксуватиметься завжди при якомусь одному вугіллі . Для дефектів розміром цей спосіб дає добрі результати, т. я. лінійно буде пов'язаний з розміром дефекту.

При абсолютному способі вимірювання умовних розмірів проводиться на постійному рівні чутливості, встановленому при тому, що еталонує . В цьому випадку при збільшенні збільшується також і . Тому звичайна зміна умовній протяжності дефекту уздовж шва і умовної висоти по перетину шва проводиться абсолютним способом.

Для відбивачів малих розмірів їх умовна протяжність визначається тільки шириною діаграми спрямованості на даному рівні . Такі дефекти на практиці називаються точковими, або компактними.

При збільшенні розмірів дефектів спостерігається уповільнення зростання , в порівнянні з розрахунком, і експериментальна залежність близька лінійною.

Умовна ширина вимірюється довжиною зони переміщення перетворювача перпендикулярно до шва між двома крайніми положеннями, в яких з'являється і зникає луна-сигнал від дефекту. Вимірювання зручно проводити при механізованому контролі. Проте необхідно враховувати, що дефекти, орієнтовані в площині листа (розшарування), характеризуватимуться малою і значною . Оскільки вимірювання часто дає помилкову інформацію, на практиці, особливо при ручному контролі, важливішою характеристикою є умовна висота .

Умовна висота дефекту , визначається різницею глибин, зміряних в крайніх положеннях шукача при переміщенні його перпендикулярно довжині шва. При вимірі умовної висоти імпульс на екрані ЕЛТ рухається в межах деякої зони по тій, що огинає, а потім зникає.

3.1.5. Тимчасові способи визначення величини дефектів

Тимчасові способи підрозділяються на власне тимчасові, коли реєструється тимчасова затримка приходу посланої хвилі, обумовлена її оббіганням по поверхні дефекту, і дифракційно-тимчасову, засновану на явищах дифракцію і трансформації об'ємних і поверхневих хвиль на тріщинах.

За наявності тріщини на поверхні контрольованого виробу, уздовж якої розповсюджується поверхнева хвиля, частина енергії відбивається від межі розділу площина - тріщина і нижній частині тріщини; частина, дифрагуючи, розповсюджується навколо тріщини і частина трансформується в об'ємні поперечні і подовжні хвилі. Вимірюючи за допомогою двох ПЕП час розповсюдження поверхневої хвилі навколо тріщини і вважаючи, що на всьому шляху швидкість незмінна, визначають її глибину.

Цей метод найбільш ефективний при контролі тріщин у виробах, в яких діє розтягуюча напруга. За відсутності такої напруги тріщини мають невелике розкриття і велика частина енергії проходить через неї.

Перевагою даного методу є те, що амплітуда реєстрованого сигналу практично не залежить від нахилу тріщини і стану поверхонь виробу і тріщини. Таким методом можна вимірювати глибину тріщин у виробах з нееквідистантними поверхнями. Точність методу, як і методів, заснованих на використанні поверхневих хвиль, в основному визначається точністю вимірювання тимчасових інтервалів.

3.1.6. Вимірювання дефектів типу «ланцюжків»

При розбраковуваній дуже важливою є можливість розпізнавання суцільного безперервного дефекту, наприклад непроварення, від ланцюжка дефектів типу шлакових включень і пір. Можливість дозволу два що поряд знаходяться відбивачів характеризується фронтальною роздільною здатністю ПЕП. Вона визначається мінімальною відстанню між дефектами , що залягають в площині, перпендикулярній акустичній осі пучка, при якому ці дефекти в процесі переміщення ПЕП по поверхні виробу реєструються роздільно.

Якщо переміщати ПЕП по поверхні виробу в площині, в якій знаходяться обидва дефекти, то сумарна амплітуда луно-сигналу залежно від відстані між дефектами змінюватиметься.

Максимальний сигнал має місце, коли перетворювач розташований над одним з дефектів. Якщо перетворювач розташований між дефектами, то при невеликих відстанях луно-сигнал, що прийшов від більш дальнього дефекту, інтерферує з луно-сигналом від ближнього дефекту і залежно від фазових співвідношень або підсилює, або ослабляє сумарний луну-сигнал. Цим пояснюється досить складний характер графіка. Коли перетворювач розташований посередині, між дефектами, різниця фаз від двох дефектів рівна нулю.

Можна вважати, що два дефекти виявляються роздільно, якщо мінімальний і максимальні луно-сигнали відрізняються по величині в 2 ... 3 рази. Тоді в дальній зоні фронтальну роздільну здатність прямих і похилих перетворювачів приблизно:

(18)

де - відстань до дефекту; - довжина хвилі; - радіус п’єзоелементу шукача.

При контролі реальних виробів унаслідок природних порушень розглянутої геометрії прозвучування і не ідентичності дефектів ці співвідношення точно не дотримуватимуться. Тому фронтальна роздільна здатність в реальних умовах буде вища, ніж для моделей дефектів.

3.1.7. Способи розпізнавання типу дефекту

Інформація про тип дефекту може бути отримана при аналізу індикатриси розсіяння, тобто аналізу розподілу амплітудно-частотних і амплітудно-тимчасових характеристик розсіяння на дефекті поля. Від виду вимірюваних параметрів, методу їх отримання і обробки можна провести умовну класифікацію інформативних ознак:

1) аналіз просторового розподілу амплітуд ехо-сигналів на одній частоті і, по вибраних фіксованих напрямах: у вертикальній і горизонтальній площинах;

2) амплітудно - і фазочастотний аналіз ехо-сигналів в одному або декількох напрямах (спектральний метод);

3) аналіз тимчасових характеристик дифрагованих і трансформованих на дефектах хвиль;

4) аналіз характеристик поляризації відбитих від дефектів лінійно-поляризованих сдвігових хвиль;

5) методи ультразвукової голографії і томографії.

Оцінка допустимості виявленого в зварному шві дефекту винна максимально повно і точно відображати ступінь потенційної небезпеки дефекту для експлуатаційної міцності шва. Потенційна небезпека дефекту визначається його формою. Елементи тонкої структури несуцільносі, по яких проводяться її ідентифікація і оцінка ступеня небезпеки, зокрема, гострота краю дефекту, вимірюються десятими і сотими долями міліметра, що не дозволяє проводити оцінку цього параметра у вживаному для дефектоскопії частотному діапазоні ультразвукових хвиль. При контролі можливе розпізнавання елементів структури, великих довжини хвилі акустичного випромінювання , тобто більше 0,4...0,5мм.

Щоб забезпечити достовірну ідентифікацію дефектів, що проводиться при штатному контролі на виробництві, до інформативних ознак пред'являються вимоги:

– представлення інформації про тип дефекту у вигляді кількісного критерію;

– високий рівень розпізнавання, визначуваний відстанню між еталонами класів в просторі ознаки;

– простота вимірювання і, зокрема, апаратурою, що серійно випускається;

– можливість розпізнавання дефектів, закладених в товщині зварного шва.

Правильний вибір інформативних ознак опису дефектів, тобто істотна для розпізнавання інформація, є одній з найважливіших і необхідніших передумов успішного рішення задачі розпізнавання в цілому.

3.3. Методи товщинометрії

3.3.1. Марки та галузь застосування ультразвукової товщінометрії

Ультразвукове вимірювання товщини знайшли широке застосування в дослідженні полого литва складних форм, як наприклад, частин автомобільних двигунів, де зсув центру в процесі литва може привести до ситуації, коли одна частина буде тонша за іншу. Ультразвукові вимірювальні товщиноміри призначені для вимірювання товщини стінок з однією із сторін, при без розрізання деталі.

Раніше деталі розрізали, і товщина стінок вимірювалася уручну. УЗ прилади дозволяють швидко набути значення товщини при приєднанні датчика до однієї із стінок. Методика проведення ультразвукових досліджень практично витіснила ручні вимірювання товщини. Проведення автоматичних і напівавтоматичних вимірювань може ускладнюватися геометрією деталі. У таких випадках потрібне регулювання положення датчика по відношенню до тестової поверхні.

Ємності з товщиною більше 0,20мм можуть бути зміряні Моделлю 25DL і датчиком з лінією затримки на 20МГц або 10МГц з погрішністю в ±0,001мм. Контактні датчики використовуються для металів завтовшки до 200мм. Вибір датчика визначається умовами поточного вимірювання. При визначенні товщини стінок штампованих труб ультразвукові вимірювання володіють рядом переваг. На заводах неруйнівні вимірювання товщини застосовуються для визначення умов виходу за допуск. Концентричність штампованих труб може визначатися автоматично, при цьому не виникає необхідності розрізати виріб або переривати процес виготовлення.

При вимірюванні товщини більшості металевих труб Модель 25DL дозволяє швидко отримувати дані з погрішністю в ±0,01мм. Дана модель використовується з контактним датчиком M112, здатним вимірювати більшість металевих стінок в діапазоні 0,50 – 25,0мм. Модель 25 не вимагають запису даних.

Для ультразвукових вимірювань товщини можуть застосовуватися різні ступені автоматизації. Такі вимірювання зазвичай проводяться за допомогою імерсійних датчиків, що забезпечують передачу ультразвуку в матеріал через стовп рідини. Альтернативним методом є приміщення датчика на зворотному боці поверхні деталі за допомогою магнітного утримувача. Магніт утримує датчик, направляючи тривалі імпульси звукової енергії у напрямку до оброблюваної поверхні.

Багато лопаток турбін, що використовуються в авіабудуванні і інших високоефективних системах, порожнисті усередині для забезпечення циркуляції емульсії, що змащувальний-охолоджує. Зсув центру під час литва, неправильна обробка або знос поверхні може привести до зменшення товщини стінок лопаток до неприпустимих меж. Механічне вимірювання товщини стінок неможливе без руйнування деталей. Проте, подібні вимірювання можна провести за допомогою відповідного датчика і ультразвукового вимірювального приладу. Залежно від геометрії і товщини стінок лопаток турбін рекомендується один з трьох типів ультразвукових вимірювальних систем:

Вимірювальний прилад Моделі 25DL PLUS з імерсійним датчиком або датчиком з лінією затримки. Дисплей форми хвилі дозволяє звіряти форму хвилі і регулювати.

Системи, що включають генератор-приймач, програмне забезпечення стробування і відліку часу, а так само дисплей форми хвилі для вимірювання тонких стінок і інших спеціальних вимірювань з використанням високочастотні датчиків.

Високі температури в паровому казані (що досягають 800С) приводять до освіти із зовнішнього і внутрішнього боку труб важкого, крихкого окислу заліза, званого інакше магнітним залізняком. Наявність шаруючи окислу з внутрішньо сторони труби заважає проведенню звичайних ультразвукових вимірювань за допомогою стандартного роздільно-суміщеного датчика. В цьому випадку, викривлена поверхня перешкоджає коректній передачі звуку в матеріал, а товщина окислу, що утворився, приплюсовується до товщини металу. Проте, як це витікає з назви, магнітний залізняк володіє такою властивістю як магнетизм, що дозволяє використовувати магнітострикційний датчик ЕМАД (електромагнітний акустичний датчик) E110-SB. Датчики ЕМАД володіють деякими перевагами перед іншими звичайними роздільно-суміщеними п'єзоелектричними датчиками: немає необхідності видаляти окисел для проведення вимірювання, товщина накипу не додається до товщини стінок труби, вимірювання можна проводити дуже швидко без використання контактної рідини. Єдине обмеження у використанні магнітострикційних ЕМАД - ці датчики працюють тільки коли накип знаходиться зовні труби. Більш того, мінімальна вимірювана товщина стінок і точність вимірювань не порівняється зі випромінюванням, які можна отримати за допомогою стандартних датчиків. Датчики ЕМАД так само несприйнятливі до невеликих внутрішніх западин. З цієї причини, ЕМАД часто використовуються для швидкого початкового дослідження товщини стінок, а роздільно-суміщені датчики - для детальнішого їх огляду.