Способы прозвучивания изделия при контроле эхо-методом

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

РАЗДЕЛ 2. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

ЗАДАЧА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое явление называется интерференцией?

2. При каких условиях возникает интерференция волн?

3. Когда происходит сложение колебаний при интерференции с увеличением амплитуды результирующего колебания?

4. В каком случае происходит интерференционное гашение волн?

5. Как распределяется энергия при интерференции в волне?

6. Изобразите распределение интенсивности на оси круглой пьезопластины в зависимости от расстояния. Укажите зону Френеля, Фраунгофера, а также их границы. Какие две характерные области выделяются в поле излучения круглого ПЭП?

7. Форма поля излучения в ближней зоне? Чем характеризуется ближняя зона?

8. Чем объясняется немонотонность распределения интенсивности в пределах ближней зоны?

9. Дайте определение ближней зоны поля излучения прямого ПЭП?

10. От чего зависит протяженность ближней зоны?

11. Что называется интерференцией УЗВ?

12. Почему протяженность ближней зоны ПЭП при конструировании ПЭП стараются делать как можно короче?

13. Форма поля в дальней зоне? Чем характеризуется дальняя зона?

14. Какой параметр определяет направленность УЗ-поля?

15. От чего зависит угол расхождения φ _р?

16. Что называется акустической осью ПЭП?

17. Что представляет собой диаграмма направленности ПЭП? Опишите ее?

18. Когда возникают боковые лепестки вне основного лепестка в диаграмме?

19. К чему приводит увеличение диаметра пьезопластины? Уменьшение диаметра пластины?

20. Как выбираются оптимальные размеры пьезопластины?

21. Чем характерно поле излучения наклонного ПЭП?

22. От каких параметров зависит ширина диаграммы направленности наклонного ПЭП?

Рассчитать протяженность ближней зоны и угол расхождения для ультразвукового пучка в стали при возбуждении продольной волны ПЭП диаметром 2 а =12 мм при f =2,5 МГц.

ЛЕКЦИЯ 9 – Классификация методов контроля

Известно много акустических методов неразрушающего контроля. Классификация акустических методов представлена на рисунке 88. Акустические методы делят на две большие группы: активные и пассивныеметоды.

Активные методы основаны на формировании волн и последующем приеме отраженных, прошедших или дифрагированных сигналов.

Пассивные методы основаны только на приеме волн, возникших в объекте контроля. Пассивные методы в УЗД рельсов не применяются.

Рисунок 88 – Классификация акустических методов контроля

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие в себе элементы прохождения и отражения).

Методы прохождения. Эти методы, чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения параметров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала). На начальном этапе развития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью. Поэтому термин "теневой" адекватно отражал содержание метода. Однако в дальнейшем области применения рассматриваемых методов расширились.

Методы начали применять для определения физико-механических свойств материалов, когда контролируемые параметры (упругие постоянные, коэффициент затухания, плотность и т.п.) не связаны с образующими звуковую тень нарушениями сплошности. При этом в большинстве случаев непрерывное излучение было заменено импульсным. Существенно расширено также число информативных параметров сквозного сигнала, к которым кроме амплитуды добавились фаза, время прихода и спектр.

Т.о., теневой метод можно рассматривать как частный случай более общего понятия "метод прохождения". Кстати, в англоязычной литературе последний называется through transmission technique, что полностью соответствует русскому термину "метод прохождения". Понятие "теневой метод" в английском языке не применяется.

При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны от ОК или контролируемого его участка (рисунок 89). В некоторых методах прохождения преобразователи размещают с одной стороны от ОК на определенном расстоянии друг от друга (рисунок 90). Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.

К методам прохождения относят: амплитудный теневой, временной теневой, велосиметрический. Амплитудный теневой метод основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Временной теневой метод, основанный на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта. Велосиметрический метод связан с регистрацией изменения скорости ультразвуковых колебаний и применяется для контроля слоистых конструкций для измерения изменения толщины или обнаружения расслоений в них. Ни один из этих методов в УЗД рельсов не применяются.

Тем не менее, самый первый дефектоскоп, разработанный Соколовым С. Я. в 1928 году, реализовывал только амплитудный теневой метод УЗ-контроля, при этом дефектоскоп работал в непрерывном режиме излучения упругих колебаний.

Сергей Яковлевич Соколов – российский физик, специалист по ультразвуковой дефектоскопии. Сфера научных интересов – акустика, в частности явление ультразвука. Показал способность ультразвука проходить через металлы без заметного поглощения (1927 г.). Применил это явление для обнаружения дефектов в металлах (1928 г.), положив начало ультразвуковой дефектоскопии. Разработал различные конструкции ультразвуковых дефектоскопов. Выдвинул идею исследования структуры твердых тел и фазовых переходов ультразвуковым методом. В 1942 г. за изобретение метода ультразвуковой дефектоскопии удостоен Сталинской премии. Пионерские работы в области звуковидения. Предложил (1935 г.) методы преобразования звуковых изображений в видимые (поверхностного рельефа, механического сканирования, с помощью электронно-акустической трубки-преобразователя) и создал аппаратуру звуковидения, названную им ультразвуковым микроскопом. Разработал первый кварцевый анализатор звука. Исследовал дифракцию света на ультразвуке. Выдвинул идею использования дифракции света в ультразвуковом поле в твердых и жидких средах для модуляции светового пучка.

а)

Теневой метод основан на посылке в контролируемое изделие упругих колебаний и регистрации изменения их интенсивности после однократного прохождения через контролируемый объект.

Рисунок 89 – Теневой метод

в)

б)

Преобразователь, излучающий колебания, находится по одну сторону контроли­руемого изделия или его участка, приемный пре­образо-ватель находится с другой его стороны соосно с излучателем (рисунок 89).

При отсутствии на­рушений сплошности материала приемный преобразователь регис­трирует определенную амплитуду сигнала, прошедшего через из­делие (рисунок 89, в). При постоянной толщине изделия, одно­родном материале, одинаковой шероховатости поверхности изделия и параллельности верхней и нижней поверхностей амплитуда прошедших упругих волн будет изме­няться в небольших пределах.

Наличие несплошностей материала на пути волны приведет к уменьшению амплитуды принятого сигнала, так как за дефектом образуется акустическая тень (рисунок 89, б). Это уменьшение регистрируется индикатором дефектоскопа и является признаком наличия дефекта в зоне контроля. О величине дефекта можно судить по степени ослабления про­шедшего сигнала.

Рисунок 90 –Теневой метод наклонными ПЭП поперечных волн (а) и поверхностных волн (б)

Теневой метод также реализуется также двумя наклонными ПЭП продольных или поперечных волн (рисунок 90, а), для чего их (также как и прямые ПЭП) устанавливают на противоположных поверхностях изделия в направлении распространения излучения так, чтобы приемный ПЭП принимал сквозной сигнал. Дополнительно для реализации теневого метода можно использовать преобразователи поверхностных волн по раздельной или раздельно-совмещенной схеме (рисунок 90, б), в этом случае преобразователи располагают на одной и той же поверхности.

Перед проведением контроля теневым методом требуется настройка усилителя принятых сигналов, которую выполняют предварительно на бездефектном образце. При этом показание регистрирующего прибора принимается за 100 %. Излучение ультразвуковых волн может проводиться в непрерывном или импульсном режимах.

Серьезными недостатками теневого метода являются необходимость двустороннего доступа к изделию, значительная погрешность показаний регистрирующего прибора (амплитуды сигнала)из-за нестабильности акустического контакта обоих преобразователей с контролируемой деталью. Кроме того, теневой метод не дает информации о расположении (координатах) и виде обнаруженного дефекта.

К преимуществам следует отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие мертвой зоны. Благодаря первому преимуществу этим методом уверенно обнаруживаются наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо-методе. Теневой метод применяют для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов.

К методам отражения относят эхо-метод, эхо-зеркальный, дельта-метод, дифракционно-временной, реверберационный. Методы отражения предназначены для регистрации и анализа сигналов, отраженных от раздела двух сред с разными акустическими свойствами.

Эхо-метод – один из наиболее распространённых методов ультразвукового неразрушающего контроля. Так как при использовании этого метода дефектоскоп работает в импульсном режиме, этот метод часто называют эхо-импульсным. С помощью этого метода обнаруживают более 90 % дефектов в рельсах. Его преимущества состоят в том, что этот метод – в отличие от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, имеет большую чувствительность к внутренним дефектам и при этом позволяет определить с высокой точностью координаты залегания дефектов.

Эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов через определенные интервалы времени и регистрации эхо-сигналов, отраженных от дефектов. При реализации эхо-метода прямым ПЭП зондирующий импульс отражается от противоположной (донной) повер­хности изделия и, возвращаясь, частично попадает на приемный преобра­зователь. На экране дефектоскопа возникает донный сигнал. При наличии несплошности (дефекта) импульс отразится от него раньше, чем от донной поверхности. Между зондирующим (на рисунке не показан) и донным сигналами возникает проме­жуточный сигнал – от несплошности, который и является признаком нали­чия дефекта в этом методе в случае превышения данным сигналом порогового уровня (рисунок 91).

Рисунок 91 – Схема контроля эхо-методом прямым ПЭП

При реализации эхо-метода наклонным ПЭП зондирующий импульс отражается от дефекта или конструктивных отражателей и возвращается на приемный преобра­зователь. На экране дефектоскопа возникает сигнал от дефекта или конструктивного отражателя. В случае, если в зоне излучения УЗК нет конструктивных отражателей и дефекта, зондирующие импульсы в рельсе затухают, не вызывая на экране дефектоскопа отраженных сигналов (рисунок 92).

Рисунок 92 – Схема контроля эхо-методом наклонным ПЭП

Время прихода отраженных импульсов пропорционально глубине залегания дефекта, а амплитуда – отражающей способности дефекта.

Таким образом, признаком обнаружения дефекта при контроле эхо-методом является превышение амплитуды эхо-сигнала, отраженного от дефекта, порогового уровня.

При реализации эхо-метода может использоваться ПЭП, включенный по совмещенной, раздельно-совмещенной схеме или два ПЭП, включенные по раздельной схеме. Чаще всего используется ПЭП, включенный по совмещенной схеме, когда ПЭП является и излучателем и приемником ультразвуковых колебаний.

Эхо-метод обладает рядом преимуществ перед теневым. Чувствительность эхо-метода значительно выше теневого. При теневом методе ослабление УЗК на 5% трудно зарегистрировать, а при эхо-методе отражение даже 1% энергии очень хорошо не только обнаруживается, но и измеряется. Кроме того, эхо-метод позволяет определить, на какой глубине находится дефект. Если при работе с прямым ПЭП временное расстояние между зондирующим и отраженным от противоположной поверхности детали (донным импульсом) принять за контролируемую толщину детали, то время между посылаемым импульсом и моментом прихода отраженного от дефекта импульса дает глубину залегания дефекта.

Кроме того, по амплитуде отраженного сигнала можно судить о размерах дефекта, а изучая спектральный состав отраженного импульса, можно получить информацию о типе и форме дефекта.

Главный недостаток эхо-метода – наличие мертвой зоны под искателем. Наличие мертвой зоны связано с тем, что при близко расположенном дефекте от поверхности ввод в момент прихода эхо-сигнала от него еще продолжается излучение зондирующего импульса. Для уменьшения мертвой зоны повышают частоту УЗК, что позволяет уменьшить длительность зондирующего импульса.

Длительность импульса определяет и разрешающую способность метода, т.е. минимальное расстояние между дефектами по глубине, при котором их эхосигналы воспринимаются раздельно. Очевидно, разрешающая способность эхо-метода по глубине равна длительности зондирующего импульса.

Повышение частоты с целью увеличения разрешения ограниченно сверху тем, что короткие волны начинают отражаться от границ кристаллических зерен металла, что вызывает появление помех. Кроме того, с увеличением частоты возрастает затухание УЗК.

Зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и от дефекта. Предназначен для выявления вертикальных сильно развитых трещин контактно-усталостного происхождения в головке рельса 21.1-2. Такие трещины превышают половину площади сечения головки (50 % и более) и имеют «зеркальную» поверхность для ультразвуковой волны частотой 2,5 МГц. Контроль одним наклонным преобразователем не всегда дает достаточно надежные показания.

Это связано с тем, что основной поток ультразвуковых колебаний, падая на дефект, в основном зеркально переотражается от его плоскости и практически не возвращается на ПЭП. Только незначительная часть упругих колебании, диффузно рассеиваясь на краях трещины, может вернуться к излучаемому ПЭП. Такие трещины могут быть пропущены оператором, т.к. амплитуда эхо-сигнала, диффузно отраженного от края трещины, будет достаточно мала для срабатывания индикаторов дефектоскопа в случае возврата части акустических колебаний на ПЭП (рисунок 93).

Рисунок 93 – Зеркальное отражение УЗК от развитой поперечной трещины с гладкой поверхностью при применении эхо-метода

В зеркальном методе используются сигналы, возникающие в результате зер­кального отражения ультразвука от дефекта и поверхности, противоположной поверхности ввода УЗК. Существует несколько вариантов этого метода: тандем, косой тандем, Т-тандем, К-метод.

Рисунок 94 – Зеркальный метод: тандем и К -метод

Для выявления дефектов с вертикальной ориентацией применяют вариант, называемый способом «тандем». Его особенностью является постоянство суммы х₁ + х₂ = =2 Н tgα = const, вследствие чего при одинаковой толщине изделия эхо-импульс от дефекта всегда появляется на од­ном и том же месте горизонталь­ной развертки – на расстоянии 2 Н /cosα (рисунок 94).

РИС. 5.4. Вариант зеркального эхо-метода - способ «тандем»

Для получения зеркального отражения от дефектов с ориента­цией, отличающейся от вертикаль­ной, x₁ + х₂ варьируют. При реали­зации способа «тандем» возможно размещение излучателя и приемника как на одной поверхности изделия (приемник в точке В на рисунке 94), так и на двух поверхностях (приемник показан пунктиром в точке Д). Такой вариант называют К -методом.

Способ тандем реализуется при прозвучивании изделия двумя наклонными ПЭП, которые размещены на поверхности сканирования таким образом, чтобы сигнал, излучаемый одним ПЭП, фиксировать вторым преобразователем. Сигнал, переотражаясь от противоположной поверхности изделия и от плоскости дефекта, поступает на приемный ПЭП (рисунок 94, 95). В дополнение к первому ПЭП, работающему в режиме излучения-приема, на расстоянии В от него устанавливают второй ПЭП, который может работать только в режиме приема зеркально отраженных от плос­кости дефекта сигналов. В общем случае каж­дый из ПЭП может работать в режиме излучения и в режиме приема. При этом амплитуда принятых вторым ПЭП эхо-сигналов намного выше, чем амплиту­да сигналов, диффузно рассеянных на краях трещины и принятых первым ПЭП. На рисунке 95 показана схема реализации вариантом эхо-зеркального метода – способом тандем.

Рисунок 96 – К -метод

К-метод предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия (рисунок 96). Например, при контроле головки рельса преобразователь, служащий излучателем И устанавливается вначале на расстоянии около 10 мм от контролируемого сечения с одной стороны головки, а преобразователь, служащий приемником П перемещается в зоне 50–80 мм по противоположной стороне, затем излучатель устанавливается на расстоянии 30 мм от контролируемого сечения, а приемник перемещается в зоне 10–50 мм по противоположной стороне. Свое название К -метод получил из-за того, что дефект с лучами УЗВ, падающим и отраженным, представляют букву К.

Один из вариантов метода, называемый косой тандем, предусматривает расположение и приемника не в одной плоскости, а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта (рисунок 97).

Рисунок 97 – Косой тандем

Т-тандем – вариант зеркального метода с трансформацией типов волн на дефекте.

Рисунок 98 – Т -тандем

Преобразователь И излучает поперечную под углом ввода α, большим 58˚ (для стали). Угол падения на вертикальный дефект (b=90˚–α) будет меньше третьего критического, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Продольная волна далее отразится от дна ОК и будет принята преобразователем П (рисунок 98).

Ограничения зеркального метода: применение для металла больших толщин (более 40 мм); сравнительно большой пороговый размер выявляемости дефектов округлой формы (диаметр не менее 3 мм).

Рисунок 99 – Дельта-метод

Дельта-метод основан на приеме преобразователем продольных волн, расположенным над дефектом, рассеянных на дефекте волн, излученных преобразователем для поперечных волн. Часть падающей на дефект Д поперечной волны от наклонного излучателя поперечных волн И отражается от плоскости дефекта зеркально, часть рассеивается на краях дефекта, причем частично трансформируется в продольную волну. Трансформированная продольная волна распространяется нормально к нижней поверхности, отражается от нее и улавливается прямым ПЭП. Этим же ПЭП будет улавливаться компонента продольной дифрагированной волны, срывающейся с верхнего кончика трещины и распространяющейся вертикально вверх. К недостаткам метода следует отнести сложность расшифровки принятых сигналов при контроле изделий толщиной 15 мм и менее, трудности при настройке чувствительности и оценке величины дефектов (рисунок 99).

В комбинированных методах используют как прохождение, так и отражение упругих волн.

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. Сигнал, принятый от поверхности, противоположной поверхности ввода, (т.е. дна изделия), называют донным. Измеряют ослабление дефектом сигнала, дважды прошедшего изделие. Признаком обнаружения наличия дефекта при ЗТМ является уменьшение амплитуды донного сигнала за счет рассеивания на дефекте. Чем больше размеры дефекта, тем сильнее ослабляется донный сигнал. Выявляются в основном дефекты, ориентированные параллельно поверхности, по которой перемещают преобразователь (рисунок 100).

Рисунок 100 – Зеркально-теневой метод

Зеркально-теневой метод часто применяют совместно с эхо-методом. Одновременно наблюдают за появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала. Такая схема реализована в съемных двухниточных дефектоскопах РДМ-2, 22, где на базе раздельно-совмещенного прямого преобразователя реализованы два канала контроля: эхо-канал и ЗТМ. В случае дефекта в рельсе в зоне эхо-канала возникает эхо-импульс, а в зоне ЗТМ – донный сигнал уменьшается или пропадает совсем.

Из большого многообразия методов ультразвукового контроля для дефектоскопии рельсов используются в основном только два метода: эхо-метод и ЗТМ. Дефектоскоп РДМ-22 позволяет реализовывать зеркальные схемы контроля в ручном канале (пока практически не используются). В дефектоскопах АВИКОН в сочетании с эхо-методом применен зеркальный метод ультразвукового контроля (рисунок 101).

Рисунок 101 – Методы ультразвуко-

вого контроля

1. На какие две большие группы подразделяются акустические методы?

2. Классификация активных методов? Пассивных?

3. На какие группы подразделяются активные методы?

4. Какие методы входят в группу методов прохождения?

5. Объясните принцип реализации теневого метода? Его достоинства и недостатки? Применение?

6. Что является признаком обнаружения дефекта в теневом методе?

7. Какие методы входят в группу отражения? Какие из них применяются чаще всего для контроля металлоизделий?

8. Объясните принцип реализации эхо-метода? Его достоинства и недостатки? Применение?

9. Что является признаком обнаружения дефекта в эхо-методе?

10. Зеркальный метод, принцип его реализации?

11. Какие варианты эхо-зеркального метода вы знаете? Перечислите их?

12. В чем заключается сущность косого тандема, К -метода, Т -тандема?

13. Что представляет собой дельта-метод? Опишите его?

14. Какие комбинированные методы Вы знаете? Перечислите их?

15. Зеркально-теневой метод, его сущность, преимущества и недостатки?

16. Что является признаком обнаружения дефекта в зеркально-теневом методе?

17. Какая комбинация эхо и ЗТМ применяется в дефектоскопах сплошного контроля РДМ-2, 22? Назначение?

ЛЕКЦИЯ 10 – Эхо-импульсный метод контроля

Одним из наиболее распространённых методов ультразвукового контроля является эхо-импульсный метод. Это объясняется тем, что этот метод – в отличие от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить с высокой точностью координаты дефекта.

Эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов. Временной интервал между зондирующим импульсом и эхоимпульсом пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда – отражающей способности дефекта.

Импульсный эхо-метод позволяет решать следующие задачи дефектоскопии: обнаружение и определение координат дефектов; определение размеров дефектов и изделий; обнаружение зон крупнозернистости в изделиях и заготовках.

Отличительной особенностью эхо-метода является то, что при контроле изделий регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих колебаний.

При контроле эхо-методом ультразвуковой дефектоскопии материалов и изделий наблюдаются помехи. Их делят на несколько видов:

– помехи усилителя дефектоскопа. Эти помехи препятствуют беспредельному увеличению коэффициента усиления приемного тракта дефектоскопа и определяют граничное значение регистрируемого прибором сигнала. На экране дефектоскопа при большом усилении видны как увеличение толщины или размытие линии развертки;

– шумы преобразователя, возникающие при его работе по совмещенной схеме (многократные отражения в протекторе, призме ПЭП). Непосредственно после излучения зондирующего импульса чувствительность усилителя резко ослабляется в связи с сильным динамическим воздействием на него мощного сигнала генератора зондирующих импульсов. Вследствие этого в ближней к зондирующему сигналу зоне видны следующие за зондирующим импульсы. При контакте ПЭП с каким-нибудь изделием или пальцем дефектоскописта помехи ПЭП изменяют свою амплитуду, но сохраняют свое положение на линии развертки. Амплитуда помех очень высокая, полезный сигнал на фоне этих помех можно различить, используя то, что он перемещается по линии развертки во время передвижения преобразователя. Эти помехи уменьшают, совершенствуя конструкцию преобразователя. Например, для РС ПЭП эти помехи минимальны;

– ложные сигналы, возникающие в результате отражения от выступов или выточек и других неровностей поверхности. Эти помехи мешают выявлению дефектов на отдельных участках объекта контроля. Уровень ложных сигналов уменьшают, изменяя схему контроля, например, увеличивая угол ввода ПЭП. Помехи от ложных сигналов отличают от полезных сигналов, точно измеряя координаты залегания отражателя;

– помехи, связанные с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала, т.е. помехи, связанные со структурной реверберацией. Сигналы от неоднородностей в зависимости от фазы ослабляют или усиливают друг друга. На экране они изображаются в виде большого числа импульсов, беспорядочно изменяющихся по амплитуде и положению на линии развертки при движении ПЭП. Материалы, состоящие из большого числа крупных зерен, сильно отражающих ультразвук, дают сигналы, похожие на сигналы от дефектов. Такие материалы не подлежат контролю ультразвуком.

Таким образом, к преимуществам эхо-метода относятся:

– односторонний доступ к изделию;

– относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;

– высокая точность определения координат дефектов.

К недостаткам эхо-метода относятся:

– низкая помехоустойчивость к поверхностным отражателям;

– резкая зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации дефекта;

– невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при отсутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

1 Особенности распространения УЗВ в контролируемом объекте при эхо-методе

Так как выше упоминалось, что эхо-метод очень чувствителен, то при контроле изделий возможен не только прием эхо-сигналов от дефектов, но и от противоположной вводу ультразвука стенки, от конструктивных отражателей, вдавленных маркерных знаков, технологических отверстий и т.д.

При контроле прямым ПЭП, включенным по эхо-методу, изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный прием эхосигналов как от дефекта, так и от противоположной вводу поверхности (рисунок 102). Причем положение на линии развертки эхосигналов от отражателей относительно зондирующего им­пульса пропорционально времени пробега импульса до данного отражателя.

Рисунок 102 – Формирование эхо- и донного сигналов

Сигнал от противоположной поверхности изделия при контроле прямым ПЭП может от­сутствовать в следующих ситуациях:

– донная поверхность не параллельна поверхности ввода УЗК (рисунок 103, а);

– дефект имеет значительный размер, полностью пе­рекрывающий УЗ-пучок в данном сечении (рисунок 103, б);

а) б)

Рисунок 103 – Особенности распространения УЗВ в контролируемом изделии при работе с прямым ПЭП в эхо-методе

– высота (толщина) изделия настолько велика, что вследствие затухания ультразвуковых колебаний ампли­туда эхо-сигнала от противоположной поверхности име­ет очень малую величину (рисунок 104, а). Затухание в этом случае зависит от рассеивания УЗК на зернах структуры металла, а также с расхождением пучка лучей с удалением от точки возбуждения. Для того, чтобы рассеивание УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь λ˃(10…100 D). Если это условие выполняется по верхнему пределу (λ≥100 D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8–10 м и даже более. Затухание УЗВ за счет расхождения пучка лучей компенсируется путем введения в дальней зоне дополнительного усиления регулировкой ВРЧ, повышающей общее усиление в этой зоне на определенную величину;

– при контроле изделий небольших толщин прямым ПЭП можно получить целую серию многократно переотраженных от плоскопараллельных стенок изделия эхо-сигналов (рисунок 104, б). Вследствие затухания ультразвуковых колебаний многократные отражения последовательно уменьшаются по амплитуде. Расстояние между отдельными отражениями – величина постоянная, зависящая от толщины изделия. Это свойство используется при настройке точности работы глубиномера дефектоскопа с прямым преобразователем.

а) б)

Рисунок 104 – Особенности распространения УЗВ в контролируемом изделии при работе с прямым ПЭП в эхо-методе

При контроле наклонным ПЭП практически никогда не бывает отражения от поверхности, противоположной поверхности ввода объекта, так как обычно данная поверхность зеркальная (рисунок 105, а). Согласно законам геометрической оптики, которые справедливы для гладких поверхностей, происходит переотражение УЗВ от этой поверхности с изменением направления распространения УЗВ. Такая волна назад на искатель не возвращается. При отражении УЗВ от шероховатых поверхностей, происходит диффузное отражение, сопровождающееся рассеянием части энергии в разные стороны. Естественно, в этом случае часть энергии УЗВ возвращается на искатель, а значит, на линии развертки появляется импульс, временное положение которого относительно зондирующего импульса пропорционально расстоянию до отражающей поверхности (рисунок 105, б). Исходя из этих примеров, можно сделать вывод, что при контроле по эхо-методу (особенно, с наклонным искателем) слежение за акустическим контактом затруднено.

б)

а)

Рисунок 105 – Особенности распространения УЗВ в ОК при работе с наклонным ПЭП в эхо-методе

При контроле эхо-методом применяются три способа прозвучивания изделия:

- способ прямого луча;

- способ однократно отраженного луча;

- способ многократно отраженного луча.

Эти способы характерны как при использовании наклонного ПЭП, так и прямого ПЭП.

При прозвучивании прямым лучом амплитуда эхо-импульса, отраженного от дефекта, будет максимальна по сравнению с другими способами, т.к. глубина залегания дефекта небольшая от точки возбуждения, и, следовательно, мало затухание (рисунок 106). Однако, наличие мертвой зоны у ПЭП, подключенных к дефектоскопу по совмещенной схеме (в зависимости от угла ввода ПЭП мертвая зона составляет 3–10 мм), размеров дефекта делает невозможной регистрацию дефектов, лежащих в подповерхностном слое в поле излучения ПЭП.

Схема прозвучивания прямым лучом применяется в искательной системе дефектоскопов РДМ-2, 22 для обнаружения дефектов в головке рельса ПЭП с углом ввода 70˚, а также для контроля шейки рельса на предмет обнаружения дефекта кода 53.1 ПЭП с углом ввода 42˚ в режиме контроля «СТЫК».

При способе однократно отраженным лучом УЗВ испытывает сначала отражение от противоположной вводу ультразвука поверхности, и только затем от самого дефекта (рисунок 106). Такая схема контроля применена в дефектоскопах Поиск-10Э, ЭМ, РДМ-2 (в режиме «СТЫК») для обнаружения дефектов I и II групп в головке рельса резонаторами с углом ввода 55˚, а также в РДМ-2, 22 (в режиме «ВНЕ СТЫКА») для обнаружения дефектов в подошве резонаторами с углом ввода 42˚. В этом случае эхо-импульс от дефекта будет смещен дальше на линиии развертки от зондирующего импульса, и измеренная по глубиномеру глубина залегания дефекта не будет соответствовать истинной глубине залегания дефекта по глубине от поверхности рельса. Это происходит потому, что глубиномер измеряет время распространения колебаний в микросекундах от пьезопластины до дефекта по ходу луча с последующим пересчетом в координаты Н и L в миллиметрах с учетом угла ввода.

Приспособе многократно отраженнымлучом обнаружение дефекта происходит только после нескольких переотражений от стенок изделия (рисунок 106). Такая схема контроля применяется в РДМ-2 (в режиме «вне стыка»), РДМ-22 в каналах резонаторов с углом ввода 55˚ для обнаружения дефектов в головке рельса. Однако для такого контроля необходимо повышать чувствительность в дальней зоне аппаратными средствами дефектоскопа.

Рисунок 106 – Способы прозвучивания изделия при контроле эхо-методом

При контроле эхо-методом с переотражением лучей от стенок изделия глубина дефекта определяется с учетом числа отражений от каждой из поверхностей контролируемого рельса по формулам:

При нечетном количестве переотражений от поверхностей n =1, 3,…

Н = (1 + n) h – Н _гл (44)

При четном количестве переотражений от поверхностей n =2, 4,…

Н = Н _гл – n h (45)

где h – толщина контролируемого слоя изделия;

Н _гл – показания глубиномера дефектоскопа;

n – количество переотражений от стенок изделия.

Например, при контроле рельсов дефектоскопами сплошного контроля РДМ-2, РДМ-22 головка рельса прозвучивается резонаторами с углом ввода 55˚и разворотом от продольной оси рельса на 34˚ способами прямого луча и с переотражениями от подголовочной грани головки и верхней выкружки головки рельса. При этом типовыми отражателями в болтовом стыке для ПЭП данного угла ввода при движении дефектоскопа являются угловые отражатели в торце головки рельса: 1 – от подголовочной грани со стороны, противоположной первоначальному развороту ПЭП; 2 – от верхней выкружки со стороны первоначального разворота ПЭП; 3 – от подголовочной грани со стороны первоначального разворота ПЭП (рисунок 107). Даже при отсутствии дефектов в зоне болтового стыка данные сигналы от угловых отражателей всегда присутствуют на экране дефектоскопа и фиксируются регистрирующим и звуковым индикаторами дефектоскопа. По этим сигналам от угловых отражателей в стыке имеется возможность проверять работоспособность ПЭП с углом ввода 55˚.

В случае, когда наезжающий ПЭП находится в положении 1, дефектоскоп принимает первые сигналы от углового отражателя со стороны подголовочной грани, противоположной изначальному вводу ультразвука. Из рисунка 95 видно, что один из лучей, находящихся внутри диаграммы направленности, испытав два переотражения от стенок головки и от данного отражателя, попадает в точку на поверхности катания рельса, глее в данный момент расположен ПЭП (положение ПЭП №1). При этом показания глубиномера в данном текущем цикле излучения-приема будут соответствовать Н _гл=115 мм. При пересчете данной глубины по формуле 45 получаем: Н =115-2∙40=35 мм.

При установке наезжающего ПЭП в положение 2, дефектоскоп принимает сигналы УЗК от верхней выкружки со стороны грани, соответствующей изначальному вводу ультразвука (способ однократно отраженного луча). При этом показания глубиномера в данном цикле излучения-приема будут соответствовать Н _гл=80 мм. При пересчете данной глубины по формуле 44 получаем: Н =(1+1)∙40-40=40 мм.

Рисунок 107 – Процесс озвучивания торца рельса в головке наезжающим ПЭП с углом ввода 55⁰ и разворотом

акустической оси ПЭП на 34⁰ относительно продольной оси рельса

При установке ПЭП в положение 1, дефектоскоп принимает сигналы УЗК от подголовочной грани со стороны ввода ультразвука (способ прямого луча). При этом показание глубины залегания данного отражателя, измеренное глубиномером дефектоскопа совпадает с реальной глубиной до подголовочной грани (измерения проводятся при максимальной амплитуде импульса).