Ультразвуковая методика

Ультразвуковая дефектоскопия — метод, предложенный С. Я. Соколовым в 1928 году и основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5 — 25 МГц в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале. Отражение акустических волн происходит от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отражается от границы раздела сред. Так как включения в металле обычно содержат газ (смесь газов) возникающих вследствие процесса сварки, литья и т. п. и не успевают выйти наружу при затвердевании металла, смесь газов имеет на пять порядков меньшее удельное акустическое сопротивление, чем сам металл, то отражение будет практически полное.

Разрешающая способность акустического исследования, то есть способность выявлять мелкие дефекты раздельно друг от друга, определяется длиной звуковой волны, которая в свою очередь зависит от частоты ввода акустических колебаний. Чем больше частота, тем меньше длина волны. Эффект возникает из-за того, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, отражения колебаний практически не происходит, а доминирует их дифракция. Поэтому, как правило, частоту ультразвука стремятся повышать. С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растет их затухание, что сокращает возможную область контроля. Практическим компромиссом стали частоты в диапазоне от 0,5 до 10 МГц.

Существующие акустические методы неразрушающего контроля подразделяют на две большие группы — активные и пассивные.

Активные методы контроля подразумевают под собой излучение и приём акустических волн:

Отражения:

а) Эхо-метод или эхо-импульсный метод.

Наиболее распространенный: преобразователь генерирует колебания (то есть выступает в роли генератора) и он же принимает отражённые от дефектов эхо-сигналы (приёмник). Данный способ получил широкое распространение за счёт своей простоты, так как для проведения контроля требуется только один преобразователь, следовательно, при ручном контроле отсутствует необходимость в специальный приспособлениях для его фиксации (как, например, в дифракционно-временном методе) и совмещении акустических осей при использовании двух преобразователей. Кроме того, это один из немногих методов ультразвуковой дефектоскопии, позволяющий достаточно точно определить координаты дефекта, такие как глубину залегания и положение в исследуемом объекте (относительно преобразователя).

б) Зеркальный или Эхо-зеркальный метод.

Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов наклонным пьезоэлектрическим преобразователем, работающим как в раздельном, так и в раздельно-совмещенном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний, имеющим две пьезоэлектрические пластины, развернутые относительно продольной оси рельса под одинаковыми углами разворота ультразвукового луча на обе грани головки рельса и с одинаковыми углами ввода ультразвукового луча в одном направлении по ходу движения пьезоэлектрического преобразователя, и регистрации эхо-сигнала трижды зеркально отраженного от стандартного отражателя (стандартными отражателями называются какие-либо поверхности на рельсе, являющиеся конструктивной особенностью геометрии рельса в процессе его изготовления - поверхность катания головки рельса, подголовочные грани головки рельса, сопряжение головки рельса с шейкой, сопряжение шейки с подошвой, подошва и поверхности, изготовленные в процессе подготовки рельса к эксплуатации в пути в соответствии с требованием стандартов - торец, болтовое и штепсельное отверстие) одной подголовочной грани головки рельса, нестандартного отражателя (дефекта) и стандартного отражателя - другой подголовочной грани головки рельса. Движение ультразвукового луча по своей траектории образует фигуру «ромб» - к одной из подголовочной грани головки рельса, от нее к поверхности дефекта, от поверхности дефекта к другой подголовочной грани головки рельса и затем к пьезоэлектрической пластине, являющейся приемником в том же пьезоэлектрическом преобразователе.

Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля реализуется только в случае, если все поверхности, от которых отражаются ультразвуковые колебания, имеют зеркальную поверхность. Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрической пластиной, работающей в режиме приема

в) Ультразвуковой Дифракционно-временной метод (TimeofFlightDiffraction - ToFD)

Метод ToFD основан на взаимодействии ультразвуковых волн с краями несплошностей. Это взаимодействие приводит к излучению дифракционных волн в широком диапазоне углов. Обнаружение дифракционных волн позволяет установить наличие несплошности.

Время прохождения регистрируемых сигналов является мерой оценки высоты несплошности, тем самым позволяя измерить дефект. Размер несплошности всегда определяется временем прохождения дифракционных сигналов. Амплитуда сигнала не используется для определения размера.

Ультразвуковой дифракционно-временной метод основан на приеме волн, дифрагированных на вершинах дефекта.

Причем излучаются и применяются как продольные, так и поперечные волны.

Главная информационная характеристика – время прихода сигнала. Этот метод также называют времяпролетным, буквально переводя английское название Time of Flight Diffraction (ToFD).

Преимущества метода ToFD:

- Наиболее существенные отличия от стандартного эхо-импульсного метода:

- Возможность достижения более высокой точности при проведении измерений, как правило, ± 1 мм, а при повторном обследовании ± 0,3 мм.

- Независимость обнаружения дефекта от его углового положения.

- Измерение параметров дефекта основано на времени прохождения пути дифракционных сигналов и не зависит от амплитуды сигнала.

- Высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль одной линии с контролем всего объёма шва.

- Документирование и хранение результатов контроля.

- 100% воспроизводимость результатов контроля.

- Изменение величины эрозии металла внутренней поверхности.

- Альтернатива радиационному методу НК.

г) Ревербационный метод.

Основан на постепенном затухании сигнала в объекте контроля. При контроле двухслойной конструкции, в случае качественного соединения слоёв, часть энергии из первого слоя будет уходить во второй, поэтому ревербация будет меньше. В обратном случае будут наблюдаться многократные отражения от первого слоя, так называемый лес. Метод используется для контроля сцепления различных видов наплавок, например баббитовой наплавки с чугунным основанием. Основным недостатком данного метода является регистрация дефектоскопом эхо-сигналов от границы соединения двух слоёв. Причиной этих эхо-сигналов является разница скоростей упругих колебаний в материалах соединения и их различное удельное акустическое сопротивление. Например на границе баббит-сталь возникает постоянный эхо-сигнал даже в местах качественного сцепления. В силу конструкционных особенностей некоторых изделий, контроль качества соединения материалов ревербационным методом может быть невозможен именно из-за наличия на экране дефектоскопа эхо-сигналов от границы соединения

Основные параметры контроля эталонируют согласно ГОСТ 14782-86 при помощи комплекта стандартных образцов КОУ 2: СО-1; СО-2; СО-3 (обязательные образцы); СО-4 (рекомендуемый). Мерой эквивалентной площади выявленной несплошности является амплитуда отраженного от нее сигнала. Оценку эквивалентной площади осуществляют либо прямым сравнением с площадью эквивалентных отражателей, либо с помощью специальных диаграмм. Для контроля используют дефектоскопы УД3-71, УД4-76; УСН-52 – дефектоскоп с процессором, который позволяет получать твердую копию сигналов; Р – skan – компьютеризированный дефектоскоп, он производит одновременную подачу эхо-импульсов с разных позиций. Это дает более полную и точную картину состояния исследуемого металла. Ультразвуковой контроль предназначен для выявления в сварных швах и околошовной зоне трещин, непроваров, несплавлений, пор, шлаковых включений и других дефектов без расшифровки их характера, но указанием координат, условных размеров и числа обнаруженных дефектов. УЗК более надежно, чем просвечивание выявляет плоскостные дефекты (трещины, непровары кромок) ориентированные параллельно оси шва. Наружные дефекты должны быть исправлены до проведения УЗК. Поверхность шва и околошовной зоны на ширине 60-120 мм в обе стороны от шва должна быть зачищена механическим способом. Шероховатость поверхности подготовленной под УЗК должна быть не более Rа 6,3 (Rz-40). Для контроля изделий с внешним диаметром менее 200мм, необходимо использовать преобразователи, с радиусом кривизны подошвы R, равным 0,9-1,1R радиуса контролируемого объекта, так называемые притертые преобразователи, которые в таком виде непригодны для контроля изделий с плоскими поверхностями.

д) Акустическая микроскопия (А.м.)

Совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью УЗ- и гиперзвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений, но его поверхности или внутри объёма. Акустическая микроскопия основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отражённые или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустических полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную А.м.и сканирующую растровую А.м.

Сканирующая лазерная А.м.представляет собой разновидность голографии акустической, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещённого в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэф. отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создаёт на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустич. изображению объекта. Рельеф считывается световым лучом и воспроизводится на экране дисплея.

В сканирующей растровой А.м.сфокусированный УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение к-рого воссоздаётся по точкам в виде растра. Фокусированная волна, падая на образец, частично отражается от объекта, частично поглощается и рассеивается в нём, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна.