Методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение

Для контроля материалов и сварных соединений при­меняют следующие основные методы УЗ-дефектоскопии.

Прежде всего — импульсный эхо-метод (рис. 1.3, а), основанный на отражении УЗ-колебаний от несплошности (отражателя), причем амплитуда эхо-сигнала пропорциональна площади этого отражателя. Этим методом контролируют поковки, штамповки, про­кат, термообработанное литье, пластмассы, измеряют толщину металлов и оценивают структуру материалов. Эхо-метод широко используют для контроля сварных соединений. 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 для излучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-метода — это срав­нительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение

 

Рис. 1.3. Схемы использования основных методов УЗ-контроля:

а — эхо-метод; б — теневой; в — зеркально-теневой; г — эхо-зеркальный; д — эхо-теневой.

 

амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (угла в между УЗ-лучом и плоскостью отражателя).

Теневой и зеркально-теневой методы, также широко распространенные, основаны на уменьшении амплитуды УЗ-колебаний вследствие наличия несплошности на их пути (рис. 1.3, б, в). Чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал. В теневом методе (рис. 1.3, б) УЗ-луч идет прямо от генератора к прием­нику через контролируемый металл. Теневой метод при­меняют в основном для контроля проката малой и сред­ней толщины, некоторых резиновых изделий (покрышек колес), для исследования упругих свойств стеклопласти­ков, бетона, графита и т. д. В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность оценки коорди­нат дефектов.

Зеркально-теневой метод отличается от те­невого тем, что регистрирует уменьшение УЗК, отражен­ных от нижней поверхности листа (рис. 1.3, в).

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.

Эхо-зеркальный метод (рис. 1.3, г) основан на сравнении амплитуд обратно-отраженного и зеркально-отраженного сигналов от дефекта.

Основное преимущество эхо-зеркального метода — высокая выявляемость плоскостных дефектов и возмож­ность оценки их формы по специальному коэффициенту. Ограничения данного метода: примене­ние только для металла больших толщин (более 40 мм); сравнительно большой пороговый размер выявляемоcти дефектов округлой формы (диаметр не менее 3 мм).

Иногда используется эхо-теневой метод. В этом случае о наличии дефекта судят одновременно по эхо-импульсу от несплошности и по ослаблению однаж­ды отраженного донного сигнала (рис. 1.3, д).

Эхо-теневой метод применяют при механизированном контроле сварных стыков труб. Он дает большую вероят­ность обнаружения дефектов и возможность оценки их характера, а также позволяет вести контроль за качест­вом акустического контакта при наличии сложной мно­гоканальной аппаратуры.

В зависимости от метода УЗ-дефектоскопии и вида объекта контроля используют разные схемы соединения преобразователей. При эхо-методе широко применяют совмещенную схему ИП, когда один пьезоэлемент служит сначала излучателем зондирующего импульса, а по­том приемником (рис. 1.3, а) отраженного от дефекта сигнала.

В теневом и зеркальном методах (рис. 1.3, б, в) при­меняется раздельная схема соединения преобразовате­лей: один из них служит излучателем энергии (от гене­ратора), а другой принимает прошедший через контро­лируемое соединение импульс.

Наконец, для эхо-зеркального и эхо-теневого методов используют раздельно-совмещенную (PC) схему соеди­нения двух преобразователей, когда каждый из них мо­жет поочередно быть либо излучателем, либо приемни­ком (рис. 1.3, г, д).

Рассмотрим также другие методы акустического конт­роля.

Метод акустической эмиссии занимает особое место. Можно сказать, что это метод технической диагностики, а не дефектоскопии. Он основан на регист­рации акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении материала или конструкции. Причиной об­разования упругих волн являются пластическая дефор­мация, процессы движения дислокации кристаллов, возникновение и развитие трещин. Метод применим для ответственных высоконагруженных сварных соединений: сосудов высокого давления, трубопроводов, летательных аппаратов и других конструкций. Для регистрации акус­тической эмиссии требуется высокочувствительная аппаратура, работающая в широком диапазоне частот от килогерц до мегагерц.

Резонансный метод основан на определении резонансных частот, при которых в исследуемом участке изделия (по толщине листа или трубы) укладыва­ется целое число полуволн УЗК. Исчезновение резонансов — это сигнал о наличии дефекта или изменении тол­щины.

Метод акустического импеданса за­ключается в регистрации УЗ-колебаний стержня, опи­рающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте соб­ственных колебаний стержня.

Велосиметрический метод связан с ре­гистрацией изменения скорости УЗ-колебаний. Такое изменение имеет место в слоистых конструкциях при из­менении толщины слоя или наличии расслоений.

Метод собственных колебаний основан на анализе частот или прослушивании тона акустических колебаний изделий, вибрирующих на собственной час­тоте. Этот метод очень прост: дефекты выявляют, напри­мер, простукивая молотком бандажи колес на железно­дорожных вагонах или оценивая по звону посуды нали­чие в ней трещин. В данных примерах анализируют на слух звук в слышимом диапазоне, и поэтому метод пра­вильнее назвать акустическим, а не УЗ-методом.